Cinétique et dynamique d'un système discret de points matériels

Modèle:AlCe chapitre est traité dans le cadre de la cinétique et de la dynamique newtoniennes avec pour système discret de points matériels ${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$ dans lequel $N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$ ; de plus si le contenu du système reste inchangé $($aucune entrée ou sortie de points matériels dans le système$)$, le système est dit « fermé » $($sinon, il est dit « ouvert »$)$.

Cinétique d'un système discret de points matériels

Modèle:AlDans le cas général le système discret de points matériels est déformable et

Modèle:Aldans le cas où il est fermé et « indéformable » il définit un « solide $($au sens de la mécanique$)$».

Masse du système discret de points matériels

Modèle:AlLa masse du système discret de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$

» dans lequel «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» est une grandeur scalaire

$>0$

caractérisant l'inertie du système et définie selon

«$m_{\text{syst}}=\sum _{i=1..N}{m}_i$».

Modèle:AlRemarque : Si le système est fermé, $N$ étant constant, la masse du système ne varie pas c'est-à-dire «$m_{\text{syst}}=cste$».

Centre d'inertie (ou centre de masse) du système discret de points matériels

Modèle:AlLe centre d'inertie

$($

ou centre de masse

$)$

du système discret de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$

» dans lequel «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» est le barycentre

$G$

des positions instantanées des points matériels affectées de leur masse comme cœfficient, sa définition mathématique s'écrivant

«$G$ tel que $\sum _{i=1..N}{m}_i\overrightarrow{G{M}_i}=\overrightarrow{0}$» $(G$ est donc un point fictif$)$.

Modèle:AlPropriété : avec $O$ représentant une position quelconque, «$G$ est tel que $\overrightarrow{OG}=\frac{\sum _{i=1..N}{m}_i\overrightarrow{O{M}_i}}{\sum _{i=1..N}{m}_i}$» $\iff$ «$m_{\text{syst}}\overrightarrow{OG}=\sum _{i=1..N}{m}_i\overrightarrow{O{M}_i}$» $($de par la définition, $G$ est indépendant de $O)$.

Modèle:AlModèle:TransparentJustification : introduisant la position $O$ dans la définition, on obtient «$\sum _{i=1..N}{m}_i[\overrightarrow{O{M}_i}-\overrightarrow{OG}]=\overrightarrow{0}$» ou «$\sum _{i=1..N}{m}_i\overrightarrow{O{M}_i}=\left[\sum _{i=1..N}{m}_i\right]\overrightarrow{OG}$» $\iff$ «$\sum _{i=1..N}{m}_i\overrightarrow{O{M}_i}=m_{\text{syst}}\overrightarrow{OG}$» ou encore «$\overrightarrow{OG}=\frac{\sum _{i=1..N}{m}_i\overrightarrow{O{M}_i}}{m_{\text{syst}}}=\frac{\sum _{i=1..N}{m}_i\overrightarrow{O{M}_i}}{\sum _{i=1..N}{m}_i}$».

Résultante cinétique du système discret de points matériels

Modèle:AlLa résultante cinétique du système discret de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$

» dans lequel «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» en mouvement dans le référentiel

$ℛ$

, est notée, à l'instant

$t$

,

${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$ $[$

ou, en absence d'ambiguïté,

$\overrightarrow{P}(t)]$

et définie comme la somme des quantités de mouvement de chaque point matériel du système au même instant

$t$

soit, en notant

${\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)$

la quantité de mouvement du point

$M_i$

dans le référentiel

$ℛ$

à cet instant

$t$

,

«${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)=\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)$» ou encore, ;
«${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)=\sum _{i=1..N}{m}_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)$»Modèle:, avec
${\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)$ le vecteur vitesse du point $M_i$ à l'instant $t$ dans $ℛ$.

Modèle:AlRemarque : Si le système est fermé, c'est-à-dire si $N=cste$, l'éventuelle variation de sa résultante cinétique ne dépend que la modification du mouvement des points le constituant ;

Modèle:AlModèle:Transparentsi le système est ouvert, défini comme le contenu intérieur d'une surface de contrôle fermée $(\mathrm{\Sigma })$, $N$ pouvant varier, sa résultante cinétique peut varier :

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$par entrée ou sortie de points matériels accompagnée d'une entrée ou sortie de leur quantité de mouvement et $($ou$)$

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$par modification du mouvement des points initialement présents.

Modèle:AlPropriété de la résultante cinétique d'un système discret fermé : La résultante cinétique

${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$

du système discret fermé de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$

» avec «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

», définie à l'instant

$t$

dans le référentiel

$ℛ$

, est liée au mouvement du C.D.I.

$G$

du système au même instant

$t$

dans le même référentiel

$ℛ$

selon

«${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)=m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G(t)$» dans lequel
$m_{\text{syst}}$ est la masse du système et
${\overrightarrow{V}}_G(t)$ le vecteur vitesse de $G$ à l'instant $t$ dans $ℛ$.

Modèle:AlModèle:TransparentDémonstration : Choisissant un point $O$ fixe du référentiel d'étude $ℛ$, le vecteur position du C.D.I. $G$ du système de points matériels fermé ${\{M_i(m_i)\}}_{i=1..N}$ est tel que $m_{\text{syst}}\overrightarrow{OG}(t)=\sum _{i=1..N}{m}_i\overrightarrow{O{M}_i}(t)$ ;

Modèle:AlModèle:Transparentdérivant cette relation par rapport à $t$ et compte-tenu de la linéarité de l'opération dérivation on obtient $m_{\text{syst}}\frac{d\overrightarrow{OG}}{dt}(t)=$ $\sum _{i=1..N}{m}_i\frac{d\overrightarrow{O{M}_i}}{dt}(t)$ ou, en utilisant la définition des vecteurs vitesses, $m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G(t)=\sum _{i=1..N}{m}_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)$, le 2^ème membre définissant la résultante cinétique du système de points matériels, C.Q.F.D.

Modèle:AlModèle:TransparentLa résultante cinétique ${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$ du système discret fermé de points matériels «${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» avec «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$», définie à l'instant $t$ dans le référentiel $ℛ$, est donc, au même instant $t$ dans le même référentiel $ℛ$, le vecteur quantité de mouvement du C.D.I. $G$ du système, point fictif auquel on affecte toute la masse du système.

Moment cinétique vectoriel du système discret de points matériels par rapport à un point O

Définition du moment cinétique vectoriel du système discret de points matériels par rapport à un point O

Modèle:AlLe vecteur moment cinétique du système discret de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i=1..N}$

» avec «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» dans le référentiel d'étude

$ℛ$

par rapport à un point

$O$ $($

a priori Modèle:Nobr est la somme des vecteurs moment cinétique de chaque point matériel, définie à l'instant

$t$

, dans le référentiel

$ℛ$

par rapport à ce même point

$O$

soit encore

«${\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst},t)=\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{\sigma }}_O(M_i,t)=\sum _{i=1..N}\overrightarrow{O{M}_i}(t)\wedge {\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)$»Modèle:, avec
${\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)$ « le vecteur quantité de mouvement de $M_i$ dans $(ℛ)$ au même instant $t$»,
soit encore «${\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst},t)=\sum _{i=1..N}\overrightarrow{O{M}_i}(t)\wedge m_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)$»Modèle:, avec
${\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)$ « le vecteur vitesse de $M_i$ dans $(ℛ)$ au même instant $t$».

Formule de changement d'origine d'évaluation du moment cinétique vectoriel du système discret de points matériels

Modèle:AlSoit

$(O,O^{\prime })$

deux points quelconques distincts, la formule de changement d'origine d'évaluation du moment cinétique vectoriel du système discret de points matériels à l'instant

$t$

dans le référentiel

$ℛ$

suit la relation suivante

«${\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst},t)={\overrightarrow{\sigma }}_{O^{\prime }}(\text{syst},t)+\overrightarrow{O{O}^{\prime }}\wedge {\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$» dans laquelle
«${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$» est la résultante cinétique du système au même instant $t$ dans le même référentiel $ℛ$.

Modèle:AlDémonstration : Pour démontrer la relation ci-dessus on utilise la relation de Chasles $\overrightarrow{O{M}_i}=\overrightarrow{O{O}^{\prime }}+\overrightarrow{O^{\prime }{M}_i}$ et la distributivité de la multiplication vectorielle relativement à l'addition vectorielle soit ${\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst},t)=\sum _{i=1..N}\overrightarrow{O{M}_i}\wedge {\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)=\sum _{i=1..N}[\overrightarrow{O{O}^{\prime }}+\overrightarrow{O^{\prime }{M}_i}]\wedge {\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)=\sum _{i=1..N}\overrightarrow{O{O}^{\prime }}\wedge {\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)+\sum _{i=1..N}\overrightarrow{O^{\prime }{M}_i}\wedge {\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)$ dans laquelle on reconnaît dans le dernier terme ${\overrightarrow{\sigma }}_{O^{\prime }}(\text{syst},t)$ et on factorise vectoriellement à gauche par $\overrightarrow{O{O}^{\prime }}$ dans le Modèle:1er terme $\Rightarrow$ $\sum _{i=1..N}\overrightarrow{O{O}^{\prime }}\wedge {\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)=\overrightarrow{O{O}^{\prime }}\wedge [\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)]=\overrightarrow{O{O}^{\prime }}\wedge {\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$ d'où la R.Q.F.D.

Modèle:AlRemarque : Le changement d'origine entre un point quelconque $O$ et le C.D.I. $G$ du système discret est le plus couramment utilisé à savoir «${\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst},t)={\overrightarrow{\sigma }}_G(\text{syst},t)+\overrightarrow{OG}\wedge {\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$» ;

Modèle:AlModèle:Transparentle moment cinétique vectoriel du système discret de points matériels, à l'instant $t$, par rapport à un point $O$ quelconque dans le référentiel $ℛ$, «${\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst},t)$» est donc la somme
Modèle:AlModèle:Transparentdu moment cinétique vectoriel du système, au même instant $t$, par rapport au C.D.I. $G$ du système dans le même référentiel $ℛ$, «${\overrightarrow{\sigma }}_G(\text{syst},t)$» et
Modèle:AlModèle:Transparentdu moment cinétique vectoriel, par rapport à $O$, du point fictif $G$ de quantité de mouvement ${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$ au même instant $t$ dans le même référentiel $ℛ$, «${\overrightarrow{\sigma }}_O(G,t)=\overrightarrow{OG}(t)\wedge {\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$».

Cas particulier d'un système discret de points matériels en translation dans le référentiel d'étude

Modèle:AlConsidérant le système discret de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i=1..N}$

» avec «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» en translation de vecteur vitesse

${\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)={\overrightarrow{V}}_G(t)$

à l'instant

$t$

dans le référentiel d'étude

$ℛ$ $\{$

c'est-à-dire tel que

${\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)={\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t),\mathrm{\forall }i\in \left[[1,N]\right]\}$

, le moment cinétique vectoriel du système en translation dans le référentiel

$ℛ$

vaut, à l'instant

$t$

relativement à un point

$O$

quelconque, «

${\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst},t)=$ ${\overrightarrow{\sigma }}_G(\text{syst},t)+\overrightarrow{OG}(t)\wedge {\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$

» dans lequel «

$\left\{\begin{array}{c}{\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)=\sum _{i=1..N}{m}_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)\\ {\overrightarrow{\sigma }}_G(\text{syst},t)=\sum _{i=1..N}\overrightarrow{G{M}_i}\wedge m_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)\end{array}\right\}$

où, d'une part «

${\overrightarrow{P}}_{\text{syst. en transl.}}(t)=m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)$

» et d'autre part «

${\overrightarrow{\sigma }}_G(\text{syst. en transl.},t)=\sum _{i=1..N}\overrightarrow{G{M}_i}\wedge m_i{\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)$

» puis, par factorisation vectorielle à droite «

${\overrightarrow{\sigma }}_G(\text{syst. en transl.},t)=\left[\sum _{i=1..N}{m}_i\overrightarrow{G{M}_i}\right]\wedge {\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)=\overrightarrow{0}$

» par définition du C.D.I. du système soit

«${\overrightarrow{\sigma }}_G(\text{syst. en transl.},t)=\overrightarrow{0}$» et
«${\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst. en transl.},t)=\overrightarrow{OG}(t)\wedge {\overrightarrow{P}}_{\text{syst. en transl.}}(t)$ $=\overrightarrow{OG}(t)\wedge m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)$».

Cas particulier d'un système discret de points matériels en rotation autour d'un axe fixe dans le référentiel d'étude

Moment cinétique vectoriel d'un point matériel M en mouvement circulaire dans le référentiel d’étude par rapport à un point A de l’axe de rotation, différent du centre C du cercle

Schéma descriptif du mouvement d'un point matériel M décrivant un cercle de centre C, de vecteur rotation instantanée $\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$ imposé, avec précision du vecteur moment cinétique ${\overrightarrow{\sigma }}_A(M,t)$ de M en un point A (origine de calcul de moment cinétique) de l'axe de rotation mais différent du centre C

Modèle:AlSoit

$A$

un point quelconque de l'axe de rotation

$\mathrm{\Delta }$

du point matériel

$M$

avec

$A\ne C$

centre du cercle décrit par

$M$

dans le référentiel

$ℛ$

avec le vecteur rotation instantanée

$\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$

, le vecteur moment cinétique du point matériel

$M$

dans

$ℛ$

par rapport au point

$A\ne C$

de son axe de rotation, noté

${\overrightarrow{\sigma }}_A(M,t)$

est défini par

«${\overrightarrow{\sigma }}_A(M,t)=\overrightarrow{AM}(t)\wedge {\overrightarrow{p}}_M(t)$» ou «${\overrightarrow{\sigma }}_A(M,t)=\overrightarrow{AM}(t)\wedge m{\overrightarrow{V}}_M(t)$» ;

Modèle:Aly injectant l'expression intrinsèque du vecteur vitesse d'un point en mouvement circulaire de centre

$C$

et de vecteur rotation instantanée Modèle:Nobr à savoir

${\overrightarrow{V}}_M(t)=$ $\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\wedge \overrightarrow{CM}(t)$

Modèle:,, on obtient

${\overrightarrow{\sigma }}_A(M,t)=$ $\overrightarrow{AM}(t)\wedge m[\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\wedge \overrightarrow{CM}(t)]$

nécessitant d'utiliser une des deux formules du double produit vectoriel soit

$\frac{{\overrightarrow{\sigma }}_A(M,t)}{m}=[\overrightarrow{AM}(t)\cdot \overrightarrow{CM}(t)]\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)-[\overrightarrow{AM}(t)\cdot \overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)]\overrightarrow{CM}(t)$

avec

$\overrightarrow{AM}(t)=\overrightarrow{AC}(t)+\overrightarrow{CM}(t)$

par utilisation de la relation de Chasles ou encore, en notant

${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$

le vecteur unitaire de

$\mathrm{\Delta }$

, on peut écrire

$\left\{\begin{array}{c}\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)=\bar{\mathrm{\Omega }}(t){\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\text{ainsi que}\\ \overrightarrow{AM}(t)=\overline{AC}{\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}+\overrightarrow{CM}(t)\end{array}\right\}$ $\Rightarrow$ $\left\{\begin{array}{c}\overrightarrow{AM}(t)\cdot \overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)=\overline{AC}\bar{\mathrm{\Omega }}(t)\cancel{+\overrightarrow{CM}(t)\cdot \bar{\mathrm{\Omega }}(t){\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}}\\ \overrightarrow{AM}(t)\cdot \overrightarrow{CM}(t)=\cancel{\overline{AC}{\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\cdot \overrightarrow{CM}(t)+}\stackrel{2}{\overrightarrow{CM}}(t)\end{array}\right\}$

car

$\overrightarrow{CM}(t)$

est

$\perp$

à

${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$

, d'où

$\frac{{\overrightarrow{\sigma }}_A(M,t)}{m}=\stackrel{2}{\overrightarrow{CM}}(t)\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)-\overline{AC}\bar{\mathrm{\Omega }}(t)\overrightarrow{CM}(t)$

, soit encore, en notant

$R$

le rayon du cercle

$\Rightarrow$ $\stackrel{2}{\overrightarrow{CM}}(t)=R^2\mathrm{\forall }t$

, l'expression finale du vecteur moment cinétique du point matériel

$M$

en mouvement circulaire de centre

$C$

, de rayon

$R$

et de vecteur rotation instantanée

$\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$

quand l'origine de calcul du moment cinétique est un point

$A$

de l'axe de rotation

$\ne$

du centre

$C$

du cercle

«${\overrightarrow{\sigma }}_A(M,t)=m{R}^2\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)-m\bar{\mathrm{\Omega }}(t)\overline{AC}\overrightarrow{CM}(t)$».

Expression du vecteur moment cinétique d’un système discret fermé de points matériels en rotation autour d’un axe Δ fixe dans le référentiel d'étude, le point origine de calcul étant un point A de Δ

Système discret fermé de points matériels {M_i, (m_i)} en rotation autour d'un axe (Δ) fixe, moment cinétique (vectoriel) du système par rapport à un point A quelconque de l'axe (Δ)

Modèle:AlLe système discret fermé de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i=1..N}$

» avec «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» étant en rotation autour d'un axe

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

fixe du référentiel d'étude

$ℛ$

, de vecteur rotation instantanée

$\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$

à l'instant

$t$

et choisissant comme point origine de calcul du vecteur moment cinétique du système un point

$A$

quelconque de

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

, on peut écrire, au même instant

$t$

, le vecteur moment cinétique du point

$M_i,\mathrm{\forall }i\in \left[[1,N]\right]$

dans

$ℛ$

par rapport à

$A$

sous la forme

${\overrightarrow{\sigma }}_A(M_i,t)=$ $m_i{r}_i^2\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)-m_i\bar{\mathrm{\Omega }}(t)\overline{A{H}_i}\overrightarrow{H_i{M}_i}(t)$

Modèle:,, avec

$H_i$

centre de rotation de

$M_i$

autour de

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

et

$r_i$

le rayon du cercle décrit par

$M_i$

, le vecteur moment cinétique du système

${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)$

étant la somme des vecteurs moment cinétique de chaque point

$M_i$

 ; on en déduit donc

${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)=$ $\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{\sigma }}_A(M_i,t)=$ $\sum _{i=1..N}[m_i{r}_i^2\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)-m_i\bar{\mathrm{\Omega }}(t)\overline{A{H}_i}\overrightarrow{H_i{M}_i}(t)]$

ou, après distribution de la somme sur chaque terme de l'expression entre crochets puis factorisation par

$\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$

ou

$\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$

dans le Modèle:1er ou 2^ème terme,

«${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)=\left[\sum _{i=1..N}{m}_i{r}_i^2\right]\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)-\bar{\mathrm{\Omega }}(t)[\sum _{i=1..N}{m}_i\overline{A{H}_i}\overrightarrow{H_i{M}_i}(t)]$» ;

Modèle:Alen notant «$J_{\mathrm{\Delta }}=\sum _{i=1..N}{J}_{\mathrm{\Delta }}(M_i)=\sum _{i=1..N}{m}_i{r}_i^2$» exprimée en $kg\cdot m^2$ le moment d'inertie du système relativement à l'axe de rotation $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ $[$il s'agit de la 2^ème grandeur d'inertie caractérisant le système, la Modèle:1re étant sa masse $m_{\text{syst}}]$ et

Modèle:Alrepérant le point $M_i$ par ses coordonnées cylindro-polaires de pôle $A$ et d'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ orienté par ${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$ $[$de sens a priori arbitraire sur $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ mais pratiquement choisi dans le sens de rotation quand celui-ci, connu, ne change pas$]$ «$(r_i,{\theta }_i,z_i)$» $[$la base cylindro-polaire liée à $M_i$ étant notée $({\overrightarrow{u}}_{r_i},{\overrightarrow{u}}_{{\theta }_i},{\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }})]$,

Modèle:Alle vecteur moment cinétique du système discret fermé de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i=1..N}$

» avec «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» en rotation autour de l'axe

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

fixe dans

$ℛ$

, de vecteur rotation instantanée

$\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$

à l'instant

$t$

dans

$ℛ$

, évalué au même instant

$t$

par rapport à

$A$

point quelconque de

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

, se réécrit selon

«${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)=J_{\mathrm{\Delta }}\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)-\bar{\mathrm{\Omega }}(t)[\sum _{i=1..N}{m}_i{z}_i{r}_i{\overrightarrow{u}}_{r_i}(t)]$»Modèle:,.

Simplification dans le cas où l'axe Δ de rotation du système discret fermé de points matériels est « axe principal d'inertie du système »

Modèle:AlPour tout

$A$

, point origine de calcul de vecteur moment cinétique du système discret fermé de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i=1..N}$

» avec «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» en rotation autour d'un axe

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

fixe du référentiel d'étude

$ℛ$

et passant par

$A$

,
Modèle:Alon admet qu'il existe au moins trois directions de l'axe de rotation

${\left\{\left({\mathrm{\Delta }}_{p,k}\right)\right\}}_{k=1..3}$

, orthogonales entre elles, telles que

«${\overrightarrow{\sigma }}_{A\in \left({\mathrm{\Delta }}_{p,k}\right)}(\text{syst},t)$ soit $\parallel$ à l'axe de rotation $\left({\mathrm{\Delta }}_{p,k}\right)$» du système c'est-à-dire telles que
«$\sum _{i=1..N}{m}_i\overline{A{H}_{i,k}}\overrightarrow{H_{i,k}{M}_i}(t)=\overrightarrow{0}$» avec $H_{i,k}$ le projeté orthogonal de $M_i$ sur $\left({\mathrm{\Delta }}_{p,k}\right)$,
$\Downarrow$
«${\overrightarrow{\sigma }}_{A\in \left({\mathrm{\Delta }}_{p,k}\right)}(\text{syst},t)=J_{{\mathrm{\Delta }}_{p,k}}\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$» avec «$J_{{\mathrm{\Delta }}_{p,k}}=\sum _{i=1..N}{m}_i{r}_{i,k}^2$» dans laquelle $r_{i,k}=H_{i,k}{M}_i$,
$\left({\mathrm{\Delta }}_{p,k}\right)$ définissant un « axe principal d'inertie du système issu de $A$»,
$J_{{\mathrm{\Delta }}_{p,k}}$ étant le « moment principal d'inertie du système relativement à l'axe principal d'inertie $\left({\mathrm{\Delta }}_{p,k}\right)$ passant par $A$».

Modèle:AlRemarque : Pour un système discret fermé de points matériels indéformable, on peut définir au moins trois directions, deux à deux $\perp$, d'axe de rotation du système telles que le vecteur moment cinétique de ce dernier évalué par rapport à un point $A$ quelconque, «${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)$», en rotation autour d'un axe issu de $A$ ayant l'une des trois directions précédentes, « soit $\parallel$ au vecteur rotation instantanée $\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$», Modèle:Nobr qu'on peut toujours trouver trois axes principaux d'inertie du système issus de n'importe quel point $A$, ou encore on peut définir un repère principal d'inertie du système à partir de n’importe quel point origine Modèle:Nobr mais $\dots$

Modèle:AlModèle:Transparentun axe quelconque $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ peut n'être principal d'inertie pour aucun de ses points $A$ c'est-à-dire que le 2^ème terme du vecteur moment cinétique ${\overrightarrow{\sigma }}_{A\in \left(\mathrm{\Delta }\right)}(\text{syst},t)$ du système en rotation autour de $\left(\mathrm{\Delta }\right)$, de vecteur rotation instantanée $\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$, à savoir «$-\bar{\mathrm{\Omega }}(t)[\sum _{i=1..N}{m}_i\overline{A{H}_i}\overrightarrow{H_i{M}_i}(t)]\perp \left(\mathrm{\Delta }\right)$», peut être non nul pour tous les points $A\in \left(\mathrm{\Delta }\right)$.

Modèle:AlExemples d'axes principaux d'inertie : Pour plus de détails voir le paragraphe « complément, exemples de détermination d'axes principaux d'inertie de systèmes discrets fermés indéformables particuliers de points matériels » du chap.$2$ de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI » ;

Modèle:AlModèle:Transparentl'exemple le plus fréquemment rencontré est celui d'un système discret fermé de points matériels ayant un axe de symétrie de révolution $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ autour duquel le système est en rotation, le moment cinétique de ce dernier étant évalué par rapport à un point $A$ quelconque de $\left(\mathrm{\Delta }\right)$, on vérifie la relation «${\overrightarrow{\sigma }}_{A\in \left(\mathrm{\Delta }\right)}(\text{syst},t)=J_{\mathrm{\Delta }}\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$» avec «$J_{\mathrm{\Delta }}=\sum _{i=1..N}{m}_i{r}_i^2$» dans laquelle $r_i=H_i{M}_i$ établissant que l'axe de symétrie de révolution du système est un axe principal d'inertie de ce dernier pour tous les points de l'axe, en effet «$\sum _{i=1..N}{m}_i\overline{A{H}_i}\overrightarrow{H_i{M}_i}(t)=\overrightarrow{0}$» car, dans le plan de section droite quelconque du système coupant l'axe en $H_j$, au point matériel $M_{j,k_j}\left(m_{j,k_j}\right)$ correspond un point matériel unique ${M^{\prime }}_{j,k_j}\left(m_{j,k_j}\right)$ symétrique de $M_{j,k_j}$ par rapport à $H_j$ c'est-à-dire tel que $\overrightarrow{H_j{M^{\prime }}_{j,k_j}}(t)=-\overrightarrow{H_j{M}_{j,k_j}}(t)$ $\Rightarrow$ «$m_{j,k_j}\overline{A{H}_j}[\overrightarrow{H_j{M}_{j,k_j}}(t)+\overrightarrow{H_j{M^{\prime }}_{j,k_j}}(t)]=\overrightarrow{0},\mathrm{\forall }{k}_j,\mathrm{\forall }j$» d'où la propriété énoncée en faisant la somme sur $k_j$ utilisant $($une seule fois$)$ tous les points du plan de section droite coupant l'axe en $H_j$ puis sur $j$ pour décrire toutes les sections droites.

Moment cinétique scalaire du système discret de points matériels par rapport à un axe Δ

Modèle:AlLe moment cinétique scalaire du système discret fermé de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i=1..N}$

» avec «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» par rapport à l'axe

$\mathrm{\Delta }$

, à l'instant

$t$

, dans le référentiel d'étude

$ℛ$

est définie comme la projection orthogonale sur l'axe, du vecteur moment cinétique du système, au même instant

$t$

, dans le même référentiel

$ℛ$

, par rapport à un point

$A$

quelconque de l'axe soit

«${\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst},t)={\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$»,Modèle:, $\mathrm{\forall }A\in \mathrm{\Delta }$.

Modèle:AlJustification de la définition : On justifie la définition du moment cinétique scalaire du système discret fermé de points matériels en vérifiant que le moment cinétique vectoriel du système est équiprojectif Modèle:Nobr en vérifiant la propriété «${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)\cdot \overrightarrow{A{A}^{\prime }}={\overrightarrow{\sigma }}_{A^{\prime }}(\text{syst},t)\cdot \overrightarrow{A{A}^{\prime }}$» ;

Modèle:AlModèle:Transparentpour cela on utilise la formule de changement d'origine d'évaluation du moment cinétique vectoriel du système discret de points matériels entre $A$ et $A^{\prime }$ soit «${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)=$ ${\overrightarrow{\sigma }}_{A^{\prime }}(\text{syst},t)+\overrightarrow{A{A}^{\prime }}\wedge {\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$» et on multiplie scalairement chaque membre par $\overrightarrow{A{A}^{\prime }}$ en utilisant, dans le membre de droite, la distributivité de la multiplication scalaire relativement à l'addition Modèle:Nobr $\Rightarrow$ «${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)\cdot \overrightarrow{A{A}^{\prime }}={\overrightarrow{\sigma }}_{A^{\prime }}(\text{syst},t)\cdot \overrightarrow{A{A}^{\prime }}\cancel{+[\overrightarrow{A{A}^{\prime }}\wedge {\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)]\cdot \overrightarrow{A{A}^{\prime }}}$» R.Q.F.D. ;

Modèle:AlModèle:Transparentprenant deux points distincts $A$ et $A^{\prime }$ quelconques sur l'axe $\mathrm{\Delta }$ orienté par ${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$, nous pouvons poser $\overrightarrow{A{A}^{\prime }}=\overline{A{A}^{\prime }}{\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$ et l'équiprojectivité du moment cinétique vectoriel du système discret de points matériels se réécrit, après simplification par $\overline{A{A}^{\prime }}\ne 0$, «${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}={\overrightarrow{\sigma }}_{A^{\prime }}(\text{syst},t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$», la valeur commune définissant le moment cinétique scalaire du système discret de points matériels.

Modèle:AlCas particulier d'un système discret de points matériels en translation dans le référentiel d'étude : Le moment cinétique vectoriel du système discret de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i=1..N}$

» avec «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» en translation de vecteur vitesse

${\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)$

à l'instant

$t$

dans le référentiel d'étude

$ℛ$

, s'exprimant, à l'instant

$t$

relativement à un point

$A$

quelconque d'un axe

$\mathrm{\Delta }$

, «

${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst. en transl.},t)=\cancel{{\overrightarrow{\sigma }}_G(\text{syst. en transl.},t)+}\overrightarrow{AG}(t)\wedge {\overrightarrow{P}}_{\text{syst. en transl.}}(t)$

» dans lequel «

${\overrightarrow{P}}_{\text{syst. en transl.}}(t)=m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)$

d'où
Modèle:AlModèle:Transparentle moment cinétique scalaire du système en translation évalué par rapport à l'axe

$\mathrm{\Delta }$

orienté par

${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$

«

${\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst. en transl.},t)={\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst. en transl.},t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}=[\overrightarrow{AG}(t)\wedge {\overrightarrow{P}}_{\text{syst. en transl.}}(t)]\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}=m_{\text{syst}}[\overrightarrow{AG}(t)\wedge {\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)]\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}=m_{\text{syst}}[{\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\wedge \overrightarrow{AG}(t)]\cdot {\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)$

» en utilisant l'invariance d'un produit mixte par permutation circulaire ou, en notant

$H_G$

le projeté orthogonal de

$G$

sur l'axe

$\mathrm{\Delta }$

«

${\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst. en transl.},t)=m_{\text{syst}}[{\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\wedge \overrightarrow{H_{G}G}(t)]\cdot {\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)$

» soit enfin, en utilisant le repérage cylindro-polaire de pôle

$A$

et d'axe orienté par

${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$ $\Rightarrow$

les coordonnées cylindro-polaires de

$G$

sont

$(r_G,{\theta }_G,z_G)$ $[$

avec pour base cylindro-polaire liée à

$G$

,

$\{{\overrightarrow{u}}_r,{\overrightarrow{u}}_{\theta },{\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\}]$

$\Rightarrow$ ${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\wedge \overrightarrow{H_{G}G}(t)=r_G(t){\overrightarrow{u}}_{\theta }(t)$

et par suite «

${\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst. en transl.},t)=m_{\text{syst}}{r}_G(t)[{\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\theta }(t)]$

» ou, en notant

$V_{\theta ,\text{syst. en transl.}}(t)$

la composante orthoradiale du vecteur vitesse de translation du système à l'instant

$t$

,

«${\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst. en transl.},t)=m_{\text{syst}}{r}_G(t)V_{\theta ,\text{syst. en transl.}}(t)$Modèle:,.

Modèle:AlCas particulier d'un système discret de points matériels en rotation autour d'un axe fixe dans le référentiel d'étude : Le moment cinétique vectoriel du système discret de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i=1..N}$

» avec «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» en rotation autour d'un axe

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

, de vecteur rotation instantanée

$\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$

à l'instant

$t$

dans le référentiel d'étude

$ℛ$

, s'exprimant, à l'instant

$t$

relativement à un point

$A$

quelconque de

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

, «

${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)=J_{\mathrm{\Delta }}\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)-\bar{\mathrm{\Omega }}(t)[\sum _{i=1..N}{m}_i\overline{A{H}_i}\overrightarrow{H_i{M}_i}(t)]$

»Modèle:,Modèle:, dans lequel «

$J_{\mathrm{\Delta }}=\sum _{i=1..N}{J}_{\mathrm{\Delta }}(M_i)=\sum _{i=1..N}{m}_i{r}_i^2$

» est le moment d'inertie du système relativement à l'axe de rotation

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

,

$H_i$

le projeté orthogonal de

$M_i$

sur l'axe et

$\bar{\mathrm{\Omega }}(t)=\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$

la vitesse angulaire de rotation du système autour de

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

orienté par

${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$

, d'où
Modèle:AlModèle:Transparentle moment cinétique scalaire du système en rotation évalué par rapport à l'axe

$\mathrm{\Delta }$

de rotation orienté par

${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$

«

${\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst},t)={\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}=\{J_{\mathrm{\Delta }}\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)-\bar{\mathrm{\Omega }}(t)[\sum _{i=1..N}{m}_i\overline{A{H}_i}\overrightarrow{H_i{M}_i}(t)]\}\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}=J_{\mathrm{\Delta }}\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\cancel{-\bar{\mathrm{\Omega }}(t)[\sum _{i=1..N}{m}_i\overline{A{H}_i}\overrightarrow{H_i{M}_i}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}]}$

» en utilisant la distributivité de la multiplication scalaire relativement à l'addition vectorielle ainsi que

$\overrightarrow{H_i{M}_i}(t)\perp$

à

${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\mathrm{\forall }{M}_i$

, l'expression finale du moment cinétique scalaire du système en rotation autour de l'axe

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

par rapport auquel le moment cinétique est évalué

«${\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst},t)=J_{\mathrm{\Delta }}\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$» que l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ soit principal d'inertie ou non.

Énergie cinétique du système discret de points matériels

Modèle:AlL'énergie cinétique, à l'instant

$t$

, du système discret de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i=1..N}$

» avec «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» dans le référentiel d'étude

$ℛ$

est la somme des énergies cinétiques de tous les points matériels, définies au même instant

$t$

, dans le référentiel

$ℛ$

soit encore

«$K(\text{syst},t)=\sum _{i=1..N}{K}_{M_i}(t)$»Modèle:, ou
«$K(\text{syst},t)=\sum _{i=1..N}\frac{{\overrightarrow{p}}_{M_i}^2}{2m_i}(t)=\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}{m}_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}^2(t)=\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}{\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)$» avec
${\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)$ « le vecteur quantité de mouvement de $M_i$ dans $(ℛ)$ au même instant $t$»,
et ${\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)$ « le vecteur vitesse de $M_i$ dans $(ℛ)$ au même instant $t$».

Modèle:AlCas particulier d'un système discret de points matériels en translation dans le référentiel d'étude : L'énergie cinétique, à l'instant

$t$

, du système discret de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i=1..N}$

» avec «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» en translation de vecteur vitesse

${\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)$

au même instant

$t$

dans le référentiel d'étude

$ℛ$ $\{$

c'est-à-dire tel que

${\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)={\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t),\mathrm{\forall }i\in \left[[1,N]\right]\}$

, s'évaluant selon «

$K(\text{syst. en transl.},t)=\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}{m}_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}^2(t)=\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}{m}_i{\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}^2(t)$

» soit, en factorisant par

$\frac{{\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}^2(t)}{2}$

et reconnaissant

$\sum _{i=1..N}{m}_i=m_{\text{syst}}$

dans l'autre facteur

«$K(\text{syst. en transl.},t)=\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}^2(t)$»Modèle:,
ou encore, avec ${\overrightarrow{P}}_{\text{syst. en transl.}}(t)=m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)$
«$K(\text{syst. en transl.},t)=\frac{{\overrightarrow{P}}_{\text{syst. en transl.}}^2}{2m_{\text{syst}}}(t)=\frac{1}{2}{\overrightarrow{P}}_{\text{syst. en transl.}}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_{\text{syst. en transl.}}(t)$».

Modèle:AlCas particulier d'un système discret de points matériels en rotation autour d'un axe fixe dans le référentiel d'étude : L'énergie cinétique du système discret de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i=1..N}$

» avec «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» en rotation autour d'un axe

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

, de vecteur rotation instantanée

$\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$

à l'instant

$t$

dans le référentiel d'étude

$ℛ$ $\{$

c'est-à-dire tel que

${\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)=\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\wedge \overrightarrow{A{M}_i}(t),\mathrm{\forall }i\in \left[[1,N]\right]$

avec

$A\in \mathrm{\Delta }\}$

, s'évaluant selon «

$K(\text{syst. en rot.},t)=\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}{\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)=\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}{\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)\cdot [\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\wedge \overrightarrow{A{M}_i}(t)]$

»Modèle:, ou, en utilisant l'invariance d'un produit mixte par permutation circulaire «

$K(\text{syst. en rot.},t)=\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\cdot [\overrightarrow{A{M}_i}(t)\wedge {\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)]=\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\cdot {\overrightarrow{\sigma }}_A(M_i,t)$

» soit, en factorisant par

$\frac{\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)}{2}$

et en reconnaissant dans l'autre facteur

$\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{\sigma }}_A(M_i,t)=$ ${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst. en rot.},t)$ «$K(\text{syst. en rot.},t)=\frac{1}{2}{\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst. en rot.},t)\cdot \overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$» ou
«$K(\text{syst. en rot.},t)=\frac{1}{2}{\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst. en rot.},t)\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$» dans laquelle $\bar{\mathrm{\Omega }}(t)=\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$ est la vitesse angulaire de rotation du système autour de $\left(\mathrm{\Delta }\right)$
ou encore, avec ${\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst. en rot.},t)=J_{\mathrm{\Delta }}\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$, $J_{\mathrm{\Delta }}=\sum _{i=1..N}{m}_i{r}_i^2$ étant le moment d'inertie du système relativement à $\left(\mathrm{\Delta }\right)$,
«$K(\text{syst. en rot.},t)=\frac{{\sigma }_{\mathrm{\Delta }}^2(\text{syst. en rot.})}{2J_{\mathrm{\Delta }}}(t)=\frac{1}{2}{J}_{\mathrm{\Delta }}\stackrel{2}{\stackrel{‾}{\mathrm{\Omega }}}(t)$».

Référentiel barycentrique d'un système discret fermé de points matériels et cinétique associée

Notion de référentiel barycentrique (ou du centre de masse) d'un système discret fermé de points matériels

Modèle:Définition Modèle:AlRemarques : $G$ étant immobile dans ${ℛ}^{*}$, le vecteur vitesse de $G$ dans ${ℛ}^{*}$ y est nul soit «${\overrightarrow{V}}_{/{ℛ}^{*}}(G,t)=\overrightarrow{0},\mathrm{\forall }t$» noté plus succinctement «${\overrightarrow{V}}^{*}(G,t)=\overrightarrow{0},\mathrm{\forall }t$».

Modèle:AlModèle:Transparent Bien que ce ne soit pas une obligation, on prend usuellement comme origine du repère associé à ${ℛ}^{*}$ le point $G$.

Modèle:AlIntérêt de son introduction : on peut décrire la cinématique d'un système de points matériels dans le référentiel d'étude $ℛ$ en la considérant comme composée de deux mouvements :

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$un mouvement de translation de vecteur vitesse égal, à l'instant $t$, à ${\overrightarrow{V}}_{/ℛ}(G,t)$, ce mouvement considérant le système à l'instant $t$ comme un solide ${𝒮}_G(t)$ et

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$un mouvement de rotation ou de déformation du système relativement au solide ${𝒮}_G(t)$ lié au C.D.I. $G$ ;

Modèle:AlModèle:Transparentle solide ${𝒮}_G(t)$ s'identifie au référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$, ce dernier étant lié à $G$, en translation de vecteur vitesse ${\overrightarrow{V}}_{/ℛ}(G,t)$ relativement au référentiel d'étude $ℛ$ ;

Modèle:AlModèle:Transparentla description de la cinématique du système se réduit donc à

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$celle du mouvement du C.D.I. $G$ dans le référentiel d’étude $ℛ$ et

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$celle du mouvement de chaque point dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$ c'est-à-dire à celle du mouvement barycentrique de chaque point.

Grandeurs cinétiques barycentriques du système discret fermé de points matériels

Résultante cinétique barycentrique du système discret fermé de points matériels

Modèle:AlDéfinition : La résultante cinétique barycentrique

${\overrightarrow{P}}^{*}(t)$

, à l'instant

$t$

, du système discret fermé de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$

» dans lequel «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» est la somme des vecteurs quantité de mouvement barycentrique de tous les points matériels du système soit

«${\overrightarrow{P}}^{*}(t)=\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{p}}_{M_i}^{*}(t)$» ou encore «${\overrightarrow{P}}^{*}(t)=\sum _{i=1..N}{m}_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}(t)$».

Modèle:AlPropriété : «${\overrightarrow{P}}^{*}(t)=\overrightarrow{0},\mathrm{\forall }t$» car «${\overrightarrow{P}}^{*}(t)=m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G^{*}(t)$» d'une part et «${\overrightarrow{V}}_G^{*}(t)=\overrightarrow{0},\mathrm{\forall }t$» d'autre part ; on en déduit «$\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{p}}_{M_i}^{*}(t)=\overrightarrow{0},\mathrm{\forall }t$».

Moment cinétique barycentrique vectoriel du système discret fermé de points matériels évalué en un point O quelconque

Modèle:AlDéfinition : Le moment cinétique barycentrique vectoriel, à l'instant

$t$

, du système discret fermé de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$

» dans lequel «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» évalué en un point

$O$

quelconque «

${\overrightarrow{\sigma }}_O^{*}(\text{syst},t)$

» est la somme des vecteurs moment cinétique barycentrique de tous les points matériels du système par rapport au même point

$O$

au même instant

$t$

soit

«${\overrightarrow{\sigma }}_O^{*}(\text{syst},t)=$ $\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{\sigma }}_O^{*}(M_i,t)$» ou encore «${\overrightarrow{\sigma }}_O^{*}(\text{syst},t)=\sum _{i=1..N}\overrightarrow{O{M}_i}(t)\wedge m_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}(t)$».

Modèle:AlPropriété : «${\overrightarrow{\sigma }}_O^{*}(\text{syst},t)$» est indépendant du point origine $O$ et simplement noté «${\overrightarrow{\sigma }}^{*}(\text{syst},t)$» en effet, si on applique la formule de changement d'origine de calcul du moment cinétique barycentrique entre deux points $O$ et $O^{\prime }$ distincts on obtient «${\overrightarrow{\sigma }}_O^{*}(\text{syst},t)={\overrightarrow{\sigma }}_{O^{\prime }}^{*}(\text{syst},t)+\overrightarrow{O{O}^{\prime }}\wedge {\overrightarrow{P}}^{*}(t)$» avec ${\overrightarrow{P}}^{*}(t)=\overrightarrow{0}$ d'où «${\overrightarrow{\sigma }}_O^{*}(\text{syst},t)={\overrightarrow{\sigma }}_{O^{\prime }}^{*}(\text{syst},t),\mathrm{\forall }t,\mathrm{\forall }\{O,O^{\prime }\}$».

Énergie cinétique barycentrique du système discret fermé de points matériels

Modèle:AlDéfinition : L'énergie cinétique barycentrique, à l'instant

$t$

, du système discret fermé de points matériels «

${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$

» dans lequel «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» «

$K^{*}(\text{syst},t)$

» est la somme des énergies cinétiques barycentriques de tous les points matériels du système au même instant

$t$

soit

«$K^{*}(\text{syst},t)=\sum _{i=1..N}{K}^{*}(M_i,t)$» ou encore «$K^{*}(\text{syst},t)=\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}{m}_i{\left[{\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}\right]}^2(t)=$ $\sum _{i=1..N}\frac{{\left[{\overrightarrow{p}}_{M_i}^{*}\right]}^2}{2m_i}(t)=\sum _{i=1..N}\frac{{\overrightarrow{p}}_{M_i}^{*}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}(t)}{2}$».

Théorèmes de Kœnig (ou König)

Modèle:AlLes théorèmes de Kœnig $($ou König$)$ permettent d'expliciter le changement de référentiel faisant passer du référentiel barycentrique d'un système fermé de matière au référentiel d'étude pour les grandeurs cinétiques « moment cinétique vectoriel » et « énergie cinétique » du système de matière ; ci-dessous on ne s'intéresse qu'aux systèmes discrets fermés de points matériels.

Modèle:1er théorème de Kœnig (ou théorème de Kœnig relatif au moment cinétique)

Démonstration

Modèle:AlAyant établi la formule de changement d'origine du moment cinétique vectoriel d'un système discret fermé de points matériels dans un référentiel d'étude et l'appliquant entre un point $O$ quelconque et le C.D.I. $G$ du système, on peut donc écrire «${\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst},t)={\overrightarrow{\sigma }}_G(\text{syst},t)+\overrightarrow{OG}(t)\wedge m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G(t)$» dans laquelle toutes les grandeurs cinétiques ou cinématiques sont définies dans le même référentiel d'étude $ℛ$ ;

Modèle:Alil reste, pour terminer la démonstration du Modèle:1er théorème de Kœnig, à établir que le moment cinétique vectoriel du système évalué par rapport au C.D.I. $G$ du système, à l'instant $t$, dans le référentiel d'étude $ℛ$, s'identifie au moment cinétique barycentrique vectoriel du système, au même instant $t$, c'est-à-dire au moment cinétique vectoriel du système, à l'instant $t$, dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$, lequel moment, étant indépendant du point origine de calcul, peut être évalué au C.D.I. $G$ du système, soit encore à établir «${\overrightarrow{\sigma }}_G(\text{syst},t)\stackrel{\text{?}}{=}{\overrightarrow{\sigma }}_G^{*}(\text{syst},t)$» ;

Modèle:Alpour cela on applique la loi de composition newtonienne des vitesses dans le cas où le référentiel d'entraînement est en translation relativement au référentiel absolu, « le référentiel absolu étant le référentiel d'étude $ℛ$ et le référentiel d'entraînement le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$», le mouvement d'entraînement d'un point $M_i$ quelconque étant une translation de vecteur vitesse ${\overrightarrow{V}}_G(t)$ $\Rightarrow$ le vecteur vitesse d'entraînement du point $M_i$ vérifie «${\overrightarrow{V}}_{e,M_i}(t)={\overrightarrow{V}}_G(t),\mathrm{\forall }{M}_i,\mathrm{\forall }t$» et la loi de composition newtonienne des vitesses du point $M_i$ s'écrit «${\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)={\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}(t)+{\overrightarrow{V}}_G(t)$» puis,
Modèle:Alen multipliant vectoriellement à gauche les deux membres par $m_i\overrightarrow{G{M}_i}(t)$ et en utilisant la distributivité de la multiplication vectorielle relativement à l'addition vectorielle dans le membre de droite «$\overrightarrow{G{M}_i}(t)\wedge m_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)=\overrightarrow{G{M}_i}(t)\wedge m_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}(t)+\overrightarrow{G{M}_i}(t)\wedge m_i{\overrightarrow{V}}_G(t)$», enfin
Modèle:Alen ajoutant ces $N$ relations «$\sum _{i=1..N}\overrightarrow{G{M}_i}(t)\wedge m_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)=\sum _{i=1..N}\overrightarrow{G{M}_i}(t)\wedge m_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}(t)+\sum _{i=1..N}\overrightarrow{G{M}_i}(t)\wedge m_i{\overrightarrow{V}}_G(t)$», « Modèle:1er membre dans lequel on reconnaît ${\overrightarrow{\sigma }}_G(\text{syst},t)$» et 2^nd membre dans lequel « le Modèle:1er terme s'identifie à ${\overrightarrow{\sigma }}_G^{*}(\text{syst},t)$», le « 2^ème terme se réécrivant, en factorisant vectoriellement à droite par ${\overrightarrow{V}}_G(t)$ $[\sum _{i=1..N}{m}_i\overrightarrow{G{M}_i}(t)]\wedge {\overrightarrow{V}}_G(t)=\overrightarrow{0}$» par définition du C.D.I. du système discret fermé de points matériels d'où finalement «${\overrightarrow{\sigma }}_G(\text{syst},t)={\overrightarrow{\sigma }}_G^{*}(\text{syst},t)$» R.Q.F.D.

Application à un système discret fermé de points matériels indéformable (solide au sens de la mécanique)

Modèle:AlLe mouvement général d'un système discret fermé de points matériels «$𝒮={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» avec «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» indéformable $($c'est-à-dire un solide au sens de la mécanique$)$ dans le référentiel d'étude $ℛ$ est un mouvement composé

• d'une translation de vecteur vitesse, à l'instant $t$, «${\overrightarrow{V}}_G(t)$ relativement à $ℛ$» dans lequel $G$ est le C.D.I. du système et
• d'une rotation autour de son C.D.I. $G$ de vecteur rotation instantanée ${\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{ℛ}^{*}}(𝒮,t)$ à l'instant $t$ dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$ du solide ;

Modèle:All'application du Modèle:1er théorème de Kœnig à $𝒮$ nous conduit à «${\overrightarrow{\sigma }}_O(𝒮,t)={\overrightarrow{\sigma }}^{*}(𝒮,t)+{\overrightarrow{\sigma }}_O(G,t)={\overrightarrow{\sigma }}^{*}(𝒮,t)+\overrightarrow{OG}(t)\wedge m_{𝒮}{\overrightarrow{V}}_G(t)$» dans lequel

• ${\overrightarrow{\sigma }}_O(G,t)=\overrightarrow{OG}(t)\wedge m_{𝒮}{\overrightarrow{V}}_G(t)$ provient du mouvement de translation de $𝒮$ relativement à $ℛ$ $\{$cela pourrait être une translation circulaire autour d'un point $O$ fixe dans $ℛ$, dans ce cas on parlerait de moment cinétique orbital$\}$ et
• ${\overrightarrow{\sigma }}^{*}(𝒮,t)$, dû à la rotation propre de $𝒮$ autour de $G$, dépend de ${\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{ℛ}^{*}}(𝒮,t)={\bar{\mathrm{\Omega }}}_{/{ℛ}^{*}}(𝒮,t){\overrightarrow{u}}_{{\mathrm{\Delta }}_G}(t)$ selon «${\overrightarrow{\sigma }}^{*}(𝒮,t)=J_{{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(𝒮){\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{ℛ}^{*}}(𝒮,t)-{\bar{\mathrm{\Omega }}}_{/{ℛ}^{*}}(𝒮,t)[\sum _{i=1..N}{m}_i\overline{G{H}_i}\overrightarrow{H_i{M}_i}(t)]$» dans lequel «$J_{{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(𝒮)=\sum _{i=1..N}{m}_i{r}_i^2$ est le moment d'inertie de $𝒮$ relativement à l'axe de rotation ${\mathrm{\Delta }}_G(t)$ passant par $G$» avec $r_i=H_i{M}_i$, $H_i$ étant le projeté orthogonal de $M_i$ sur ${\mathrm{\Delta }}_G(t)$, le dernier terme de ${\overrightarrow{\sigma }}^{*}(𝒮,t)$ n'étant nul que si l'axe de rotation ${\mathrm{\Delta }}_G(t)$ est axe principal d'inertie du solide, on peut alors écrire «${\overrightarrow{\sigma }}^{*}(𝒮,t)=J_{{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(𝒮){\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{ℛ}^{*}}(𝒮,t)$».

Modèle:AlRemarque : Dans le cas général où l'axe de rotation propre ${\mathrm{\Delta }}_G(t)$ n'est pas nécessairement un axe principal d'inertie du solide, on peut appliquer la version du Modèle:1er théorème de Kœnig projetée sur ${\mathrm{\Delta }}_G(t)$ $[$ou ${\mathrm{\Delta }}_O(t)$ de même direction que ${\mathrm{\Delta }}_G(t)$ mais passant par $O]$, et on obtient «${\sigma }_{{\mathrm{\Delta }}_O}(𝒮,t)=J_{{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(𝒮){\bar{\mathrm{\Omega }}}_{/{ℛ}^{*}}(𝒮,t)+[\overrightarrow{OG}(t)\wedge m_{𝒮}{\overrightarrow{V}}_G(t)]\cdot {\overrightarrow{u}}_{{\mathrm{\Delta }}_O}(t)$».

2^ème théorème de Kœnig (ou théorème de Kœnig relatif à l'énergie cinétique)

Démonstration

Modèle:AlL'énergie cinétique du système discret fermé de points matériels «${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» avec «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» étant définie,

• à l'instant $t$, dans le référentiel d'étude $ℛ$, selon «$K(\text{syst},t)=\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}{m}_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}^2(t)$» et,
• dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$, au même instant $t$, selon «$K^{*}(\text{syst},t)=\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}{m}_i{\left[{\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}\right]}^2(t)$»,

Modèle:Alnous déterminons le lien entre les deux en appliquant la loi de composition newtonienne des vitesses dans le cas où le référentiel d'entraînement est en translation relativement au référentiel absolu, « le référentiel absolu étant le référentiel d'étude $ℛ$ et le référentiel d'entraînement le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$», le mouvement d'entraînement d'un point $M_i$ quelconque étant une translation de vecteur vitesse ${\overrightarrow{V}}_G(t)$ $\Rightarrow$ le vecteur vitesse d'entraînement du point $M_i$ vérifie «${\overrightarrow{V}}_{e,M_i}(t)={\overrightarrow{V}}_G(t),\mathrm{\forall }{M}_i,\mathrm{\forall }t$» et la loi de composition newtonienne des vitesses du point $M_i$ s'écrit «${\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)=$ ${\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}(t)+{\overrightarrow{V}}_G(t)$» puis,
Modèle:Alen formant le carré scalaire multiplié par $\frac{m_i}{2}$ de chaque membre et en développant le membre de droite «$\frac{1}{2}{m}_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}^2(t)=\frac{1}{2}{m}_i{\left[{\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}\right]}^2(t)+m_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_G(t)+\frac{1}{2}{m}_i{\overrightarrow{V}}_G^2(t)$», enfin
Modèle:Alen ajoutant ces $N$ relations «$\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}{m}_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}^2(t)=\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}{m}_i{\left[{\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}\right]}^2(t)+\sum _{i=1..N}{m}_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_G(t)+\sum _{i=1..N}\frac{1}{2}{m}_i{\overrightarrow{V}}_G^2(t)$», « Modèle:1er membre dans lequel on reconnaît $K(\text{syst},t)$» et 2^nd membre dans lequel « le Modèle:1er terme s'identifie à $K^{*}(\text{syst},t)$», le « 2^ème terme se réécrivant, en factorisant scalairement par ${\overrightarrow{V}}_G(t)$ $[\sum _{i=1..N}{m}_i{\overrightarrow{V}}_{M_i}^{*}(t)]\cdot {\overrightarrow{V}}_G(t)={\overrightarrow{P}}^{*}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_G(t)=0$» par nullité de la résultante cinétique barycentrique du système discret fermé de points matériels et le « 3^ème terme, en factorisant par $\frac{{\overrightarrow{V}}_G^2(t)}{2}$, $\left[\sum _{i=1..N}{m}_i\right]\frac{{\overrightarrow{V}}_G^2(t)}{2}=\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G^2(t)=K(G,t)$» d'où finalement «$K(\text{syst},t)=$ $K^{*}(\text{syst},t)+K(G,t)=K^{*}(\text{syst},t)+\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G^2(t)$» R.Q.F.D.

Application à un système discret fermé de points matériels indéformable (solide au sens de la mécanique)

Modèle:AlLe mouvement général d'un système discret fermé de points matériels «$𝒮={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» avec «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» indéformable $($c'est-à-dire un solide au sens de la mécanique$)$ dans le référentiel d'étude $ℛ$ étant un mouvement composé

• d'une translation de vecteur vitesse, à l'instant $t$, «${\overrightarrow{V}}_G(t)$ relativement à $ℛ$» dans lequel $G$ est le C.D.I. du système et
• d'une rotation autour de son C.D.I. $G$ de vecteur rotation instantanée ${\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{ℛ}^{*}}(𝒮,t)$ à l'instant $t$ dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$ du solide ;

Modèle:All'application du 2^ème théorème de Kœnig à $𝒮$ nous conduit à «$K(𝒮,t)=K^{*}(𝒮,t)+K(G,t)=K^{*}(𝒮,t)+\frac{1}{2}{m}_{𝒮}{\overrightarrow{V}}_G^2(t)$» dans lequel

• $K(G,t)=\frac{1}{2}{m}_{𝒮}{\overrightarrow{V}}_G^2(t)$ provient du mouvement de translation de $𝒮$ relativement à $ℛ$ $\{$cela pourrait être une translation circulaire autour d'un point $O$ fixe dans $ℛ$, dans ce cas on parlerait d'énergie cinétique orbitale$\}$ et
• $K^{*}(𝒮,t)$, due à la rotation propre de $𝒮$ autour de $G$, dépend de ${\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{ℛ}^{*}}(𝒮,t)={\bar{\mathrm{\Omega }}}_{/{ℛ}^{*}}(𝒮,t){\overrightarrow{u}}_{{\mathrm{\Delta }}_G}(t)$ selon «$K^{*}(𝒮,t)=\frac{1}{2}{J}_{{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(𝒮){\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{ℛ}^{*}}^2(𝒮,t)$» dans lequel «$J_{{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(𝒮)=\sum _{i=1..N}{m}_i{r}_i^2$ est le moment d'inertie de $𝒮$ relativement à l'axe de rotation ${\mathrm{\Delta }}_G(t)$ passant par $G$» avec $r_i=H_i{M}_i$, $H_i$ étant le projeté orthogonal de $M_i$ sur ${\mathrm{\Delta }}_G(t)$.

Notions de systèmes de forces appliqués à un système discret de points matériels et leurs propriétés associées

Modèle:AlComme dans la partie « cinétique » d'un système discret de points matériels, ce dernier est envisagé sous la forme «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$», si, de plus, son contenu reste inchangé $($aucune entrée ou sortie de points matériels dans le système$)$, le système est « fermé » $($sinon, il est « ouvert »$)$.

Modèle:AlLes notions de systèmes de forces sont introduites dans le cadre de la dynamique newtonienne, toutefois elles restent applicables dans celui de la dynamique relativiste $($une force devant être invariante par changement de référentiel$)$ ainsi que toutes les autres notions associées « résultante, moments résultants vectoriel et scalaire, puissance, travaux élémentaire et fini, caractère conservatif d'une force et énergie potentielle associée ».

Résultante des systèmes de forces appliqués à un système discret fermé de points matériels

Modèle:AlNous nous limitons aux systèmes discrets fermés de points matériels pour garder une présentation simple, en effet

Modèle:Aldans le cas d'un système ouvert de points matériels défini comme le contenu intérieur à une surface fermée fixe dite de contrôle $\left(S_{\text{cont}}\right)$, un point matériel qui est situé d'un côté de $\left(S_{\text{cont}}\right)$ à un instant $t_1$ peut être situé de l'autre côté à un instant $t_2$, ce qui fait qu'il peut être extérieur à $\left(𝒮\right)$ à un instant $t_1$ et $\in$ à $\left(𝒮\right)$ à un instant $t_2\dots$

Modèle:AlRemarque : Nous avons vu dans le paragraphe « exemples (de forces appliquées sur un système discret fermé de points matériels) » du chap.$6$ de la leçon « Mécanique 1 (PCSI) » qu'il existe
Modèle:AlModèle:Transparentdeux types de forces s'exerçant sur un système discret fermé de points matériels, les « forces de champ » et les « forces de contact »,
Modèle:AlModèle:Transparentsans différence formelle entre les deux dans le cas d'un système discret fermé de matière si ce n'est que les 1^ères s'exercent sur tous les points alors que les 2^ndes n'agissent que sur les points situés en périphérie du système d'où
Modèle:AlModèle:Transparentl'absence de distinction entre « forces de champ » et « forces de contact » dans ce qui suit $\dots$

Résultante du système de forces extérieures (ou résultante dynamique) appliqué(e) à un système discret fermé de points matériels

Définition d'une force extérieure appliquée à un système discret fermé de points matériels

Modèle:AlUne force extérieure est une force que l'extérieur du système discret fermé de points matériels «$\left(\text{ext de }𝒮\right)$» exerce sur un point de ce système $\left(𝒮\right)$ ;
Modèle:Alle système des forces extérieures est alors défini comme l'ensemble des forces ${\left\{{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$ que chaque système $\left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)$ de $\left(\text{ext de }𝒮\right)$ exerce sur chaque point $M_i$ de $\left(𝒮\right)$ $[$ou encore ${\left\{{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)}\right\}}_{\begin{array}{c}i\in \left[[1,N]\right]\\ k\in \left[[1,p]\right]\end{array}}$$]$.

Résultante du système de forces intérieures appliqué à un système discret de points matériels

Définition d'une force intérieure appliquée à un système discret de points matériels

Modèle:AlUne force intérieure est une force qu'un point du système discret fermé de points matériels «$\left(𝒮\right)$» exerce sur un autre point de ce système $\left(𝒮\right)$ ;
Modèle:Alle système des forces intérieures est alors défini comme l'ensemble des forces ${\left\{{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right\}}_{\begin{array}{c}i\in \left[[1,N]\right]\\ j\in \left[[1,i-1]\right]\cup \left[[i+1,N]\right]\end{array}}$ que chaque point $M_j$ de $\left(𝒮\right)$ exerce sur chaque point $M_i$ de $\left(𝒮\right)$.

Modèle:AlRemarques : Bien sûr, la distinction entre « forces extérieures » et « forces intérieures » impose de commencer par définir, sans ambiguïté, le système $\left(𝒮\right)$, c'est aussi la raison pour laquelle nous nous limitons aux systèmes fermés.

Modèle:AlModèle:TransparentDans le système des forces intérieures on a à envisager l’action que $M_j$ exerce sur $M_i$ mais aussi l’action que $M_i$ exerce sur $M_j$ avec $j\ne i$ ; on parle alors d’interactions entre les deux points et si l’une est appelée arbitrairement « action », l’autre est alors nommée « réaction ». Newton a énoncé un principe « traitant de l’action et de la réaction » ou des « actions réciproques », ce principe constitue la 3^ème brique fondamentale de la construction de la mécanique newtonienne du point matériel au même titre que le principe d’inertie ou le p.f.d.n. et il est connu par les anglo-saxons sous le nom de 3^ème loi de Newton.

Rappel du principe des actions réciproques (ou 3^ème loi de Newton)

Modèle:AlLe principe des actions réciproques $($ou 3^ème loi de Newton$)$ a déjà été énoncé et commenté au paragraphe « énoncé du principe des actions réciproques et commentaires » du chap.$6$ de la leçon « Mécanique 1 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI », il ne s'agit donc que d'un rappel.

Modèle:Théorème Modèle:AlCommentaires : En « dynamique newtonienne » les forces étant invariantes par changement de référentiel et le déplacement relatif $\overrightarrow{M_1{M}_2}$ en étant indépendant également, le principe est applicable dans n'importe quel référentiel ;

Modèle:AlModèle:Transparentla 2^ème relation $\overrightarrow{M_1{M}_2}\wedge {\overrightarrow{F}}_{1\leftarrow 2}=\overrightarrow{0}$ peut s'écrire encore, en utilisant la Modèle:1re relation, $\overrightarrow{M_1{M}_2}\wedge {\overrightarrow{F}}_{2\leftarrow 1}=\overrightarrow{0}$, ces deux formes équivalentes traduisent le fait que les supports de ${\overrightarrow{F}}_{1\leftarrow 2}$ et ${\overrightarrow{F}}_{2\leftarrow 1}$ sont identiques, de support commun $\left(M_1{M}_2\right)$, la Modèle:1re relation ${\overrightarrow{F}}_{1\leftarrow 2}+{\overrightarrow{F}}_{2\leftarrow 1}=\overrightarrow{0}$ ajoutant que les forces sont de sens opposées et de même norme.

Définition de la résultante du système des forces intérieures appliqué à un système discret de points matériels et propriété

Modèle:AlPropriété : Une conséquence du principe des actions réciproques en dynamique newtonienne est « la nullité de la résultante des forces intérieures s’exerçant sur un système discret de points matériels fermé en dynamique newtonienne » soit

«${\overrightarrow{F}}_{\text{int}}=\sum _{i=1..N}\left[\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right]=\sum _{i=1..N}\left[\sum _{j=1..i-1}^{j=i+1..N}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right]=\overrightarrow{0}$»,
ce résultat étant indépendant du mouvement individuel de chaque point matériel du système fermé.

Modèle:AlModèle:TransparentDémonstration : on peut coupler les forces intérieures selon ${\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}$ et ${\overrightarrow{F}}_{j\leftarrow i}$, ${\overrightarrow{F}}_{\text{int}}$ se réécrit alors ${\overrightarrow{F}}_{\text{int}}=\sum _{i=1..N}\left[\sum _{j=1..N}^{j>i}({\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}+{\overrightarrow{F}}_{j\leftarrow i})\right]$ et d’après la Modèle:1re relation du principe de l'action et de la réaction en dynamique newtonienne, on a ${\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}+{\overrightarrow{F}}_{j\leftarrow i}=\overrightarrow{0}$ d’où la propriété énoncée ${\overrightarrow{F}}_{\text{int}}=\overrightarrow{0}$.

Moment résultant vectoriel des systèmes de forces appliqués à un système discret fermé de points matériels

Modèle:AlComme lors de l'introduction de la notion de résultante de systèmes de forces appliqués à un système discret de points matériels nous nous limitons aux systèmes discrets fermés de points matériels pour garder une présentation simple, en effet

Modèle:Aldans le cas d'un système ouvert de points matériels défini comme le contenu intérieur à une surface fermée fixe dite de contrôle $\left(S_{\text{cont}}\right)$, un point matériel qui est situé d'un côté de $\left(S_{\text{cont}}\right)$ à un instant $t_1$ peut être situé de l'autre côté à un instant $t_2$, ce qui fait qu'il peut être extérieur à $\left(𝒮\right)$ à un instant $t_1$ et $\in$ à $\left(𝒮\right)$ à un instant $t_2\dots$

Définition du moment résultant vectoriel du système de forces intérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels et propriété

Modèle:AlPropriété : Une conséquence du principe des actions réciproques en dynamique newtonienne est « la nullité du vecteur moment résultant des forces intérieures s’exerçant sur un système discret de points matériels fermé en dynamique newtonienne » soit

«${\overrightarrow{ℳ}}_{O,\text{int}}=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\overrightarrow{ℳ}}_O\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right]\right\}=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..i-1}^{j=i+1..N}{\overrightarrow{ℳ}}_O\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right]\right\}=\overrightarrow{0}$»,
ce résultat étant indépendant du mouvement individuel de chaque point matériel du système fermé.

Modèle:AlModèle:TransparentDémonstration : on peut coupler les forces intérieures selon ${\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}$ et ${\overrightarrow{F}}_{j\leftarrow i}$, ${\overrightarrow{ℳ}}_{O,\text{int}}$ se réécrit alors ${\overrightarrow{ℳ}}_{O,\text{int}}=\sum _{i=1..N}\left[\sum _{j=1..N}^{j>i}(\overrightarrow{O{M}_i}\wedge {\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}+\overrightarrow{O{M}_j}\wedge {\overrightarrow{F}}_{j\leftarrow i})\right]$ ;
Modèle:AlModèle:Transparentd’après la Modèle:1re relation du principe de l'action et de la réaction en dynamique newtonienne, on a ${\overrightarrow{F}}_{j\leftarrow i}=-{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}$ soit, en substituant ${\overrightarrow{F}}_{j\leftarrow i}$ par $-{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}$ et en factorisant vectoriellement à droite par ${\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}$ «${\overrightarrow{ℳ}}_{O,\text{int}}=\sum _{i=1..N}\{\sum _{j=1..N}^{j>i}[\overrightarrow{O{M}_i}-\overrightarrow{O{M}_j}]\wedge {\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\}=\sum _{i=1..N}[\sum _{j=1..N}^{j>i}\overrightarrow{M_j{M}_i}\wedge {\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}]$»,
Modèle:AlModèle:Transparentenfin, d’après la 2^ème relation du principe de l'action et de la réaction en dynamique newtonienne, on a $\overrightarrow{M_j{M}_i}\wedge {\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}=\overrightarrow{0}$ d'où la propriété énoncée ${\overrightarrow{ℳ}}_{O,\text{int}}=\overrightarrow{0}$.

Commentaires sur le système des forces intérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels

Modèle:AlLe système des forces intérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels a une résultante et un moment résultant vectoriel par rapport à n'importe quel point origine tous deux nuls $($en effet si le moment résultant vectoriel est nul par rapport à un point origine $O$, il l'est par rapport à tout autre point origine $O^{\prime }\ne O$ car la résultante l'est aussi$)$ ;

Modèle:Altoutefois, dans le cas général, le système des forces intérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels n'est pas équivalent à un système de forces nul $($en particulier nous verrons que la puissance développée par le système de forces intérieures s'exerçant sur un système discret fermé de points matériels déformable n’est pas nul, alors que celui d'un système de forces nul l'est évidemment$)$.

Moment résultant scalaire des systèmes de forces appliqués à un système discret fermé de points matériels

Modèle:AlComme lors de l'introduction de la notion de résultante et de moment résultant vectoriel de systèmes de forces appliqués à un système discret de points matériels nous nous limitons aux systèmes discrets fermés de points matériels pour garder une présentation simple, en effet

Modèle:Aldans le cas d'un système ouvert de points matériels défini comme le contenu intérieur à une surface fermée fixe dite de contrôle $\left(S_{\text{cont}}\right)$, un point matériel qui est situé d'un côté de $\left(S_{\text{cont}}\right)$ à un instant $t_1$ peut être situé de l'autre côté à un instant $t_2$, ce qui fait qu'il peut être extérieur à $\left(𝒮\right)$ à un instant $t_1$ et $\in$ à $\left(𝒮\right)$ à un instant $t_2\dots$

Rappel de la définition d'un moment scalaire de force à partir du moment vectoriel de celle-ci

Modèle:AlLe moment scalaire d'une force

$\overrightarrow{F}(M)$

par rapport à l'axe

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

, noté

${ℳ}_{\mathrm{\Delta }}[\overrightarrow{F}(M)]$

est le projeté, sur l'axe

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

orienté par

${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$

, du moment vectoriel de cette force par rapport à un point

$O$

quelconque de l'axe

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

soit

«${ℳ}_{\mathrm{\Delta }}[\overrightarrow{F}(M)]={\overrightarrow{ℳ}}_O[\overrightarrow{F}(M)]\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}=[\overrightarrow{OM}\wedge \overrightarrow{F}(M)]\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$», $\mathrm{\forall }O\in \left(\mathrm{\Delta }\right)$.

Définition du moment résultant scalaire du système de forces intérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels et propriété

Modèle:AlPropriété : Une conséquence du principe des actions réciproques en dynamique newtonienne est « la nullité du moment résultant scalaire des forces intérieures s’exerçant sur un système discret de points matériels fermé en dynamique newtonienne » soit

«${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{int}}=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{ℳ}_{\mathrm{\Delta }}\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right]\right\}=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..i-1}^{j=i+1..N}{ℳ}_{\mathrm{\Delta }}\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right]\right\}=0$»,
ce résultat étant indépendant du mouvement individuel de chaque point matériel du système fermé.

Modèle:AlModèle:TransparentDémonstration : ayant établi au paragraphe « définition du moment résultant vectoriel du système de forces intérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels et propriété » plus haut dans ce chapitre «${\overrightarrow{ℳ}}_{O,\text{int}}=\overrightarrow{0}$» on en déduit aisément, en multipliant scalairement chaque membre par ${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$, «${\overrightarrow{ℳ}}_{O,\text{int}}\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}=\overrightarrow{0}\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$» c'est-à-dire la propriété énoncée «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{int}}=0$».

Puissance développée par des systèmes de forces appliqués à un système discret fermé de points matériels dans le référentiel d'étude

Modèle:AlComme lors de l'introduction de la notion de résultante, de moments résultants vectoriel et scalaire de systèmes de forces appliqués à un système discret de points matériels nous nous limitons aux systèmes discrets fermés de points matériels pour garder une présentation simple, en effet

Modèle:Aldans le cas d'un système ouvert de points matériels défini comme le contenu intérieur à une surface fermée fixe dite de contrôle $\left(S_{\text{cont}}\right)$, un point matériel qui est situé d'un côté de $\left(S_{\text{cont}}\right)$ à un instant $t_1$ peut être situé de l'autre côté à un instant $t_2$, ce qui fait qu'il peut être extérieur à $\left(𝒮\right)$ à un instant $t_1$ et $\in$ à $\left(𝒮\right)$ à un instant $t_2\dots$

Puissance développée par le système de forces extérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels dans le référentiel d'étude

Cas particuliers

• Modèle:1er cas particulier, système discret fermé de points matériels «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» en translation de vecteur vitesse ${\overrightarrow{V}}_{\left(𝒮\right)\text{en transl.}}(t)$ à l'instant $t$ par rapport au référentiel d'étude $ℛ$ : «${𝒫}_{\text{ext}}(t)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_{\left(𝒮\right)\text{en transl.}}(t)$» dans laquelle
  «${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)$ est la résultante dynamique appliquée à $\left(𝒮\right)$ à l'instant $t$» ; Modèle:Transparentdémonstration : il suffit de factoriser scalairement par ${\overrightarrow{V}}_{\left(𝒮\right)\text{en transl.}}(t)$ dans l'expression définissant «${𝒫}_{\text{ext}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)$», on obtient ainsi «${𝒫}_{\text{ext}}(t)=$ $\left[\sum _{i=1}^{i=N}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right]\cdot {\overrightarrow{V}}_{\left(𝒮\right)\text{en transl.}}(t)$», le facteur entre crochets s'identifiant à la résultante dynamique appliquée à $\left(𝒮\right)$ à l'instant $t$ R.Q.F.D.
• 2^ème cas particulier, système discret fermé $($indéformable$)$ de points matériels «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» en rotation de vecteur rotation instantanée $\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$ à l'instant $t$ autour d'un axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ fixe du référentiel d'étude $ℛ$ : «${𝒫}_{\text{ext}}(t)={ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$» dans laquelle
  «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)$ est le moment résultant dynamique scalaire appliqué à $\left(𝒮\right)$ par rapport à l'axe de rotation $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ à l'instant $t$» et
  «$\bar{\mathrm{\Omega }}(t)=\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$ la vitesse angulaire de rotation, à l'instant $t$, de $\left(𝒮\right)$ autour de l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ orienté par ${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$» ; Modèle:Transparentdémonstration : on utilise l'expression du vecteur vitesse de $M_i$ lors d'un mouvement circulaire de vecteur rotation instantanée $\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$ autour de $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ avec $A\in \mathrm{\Delta }$ «${\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)=$ $\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\wedge \overrightarrow{A{M}_i}(t)$» $\Rightarrow$ «${𝒫}_{\text{ext}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot [\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\wedge \overrightarrow{A{M}_i}(t)]=\sum _{i=1}^{i=N}\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\cdot [\overrightarrow{A{M}_i}(t)\wedge {\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}]$» en utilisant l'invariance d'un produit mixte par permutation circulaire, nouvelle expression dans laquelle on reconnaît le vecteur moment de la force ${\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}$ relativement au point $A$ dans le facteur entre crochets $\Rightarrow$ «${𝒫}_{\text{ext}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\cdot {\overrightarrow{ℳ}}_A\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right]$» puis, en factorisant scalairement par $\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$, «${𝒫}_{\text{ext}}(t)=\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\cdot \left\{\sum _{i=1}^{i=N}{\overrightarrow{ℳ}}_A\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right]\right\}=\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\cdot {\overrightarrow{ℳ}}_{A,\text{ext}}(t)$» en reconnaissant dans le facteur entre accolades le moment résultant dynamique vectoriel appliqué à $\left(𝒮\right)$ à l'instant $t$ par rapport à $A$ et enfin, en explicitant $\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$ en fonction de la vitesse angulaire de rotation de $\left(𝒮\right)$ à l'instant $t$ autour de $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ «$\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)=\bar{\mathrm{\Omega }}(t){\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$», on obtient «${𝒫}_{\text{ext}}(t)=[\bar{\mathrm{\Omega }}(t){\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}]\cdot {\overrightarrow{ℳ}}_{A,\text{ext}}(t)=\bar{\mathrm{\Omega }}(t)[{\overrightarrow{ℳ}}_{A,\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}]=\bar{\mathrm{\Omega }}(t){ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)$» R.Q.F.D.
• 3^ème cas particulier, système discret fermé indéformable de points matériels «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» avec «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» en mouvement quelconque dans le référentiel d'étude $ℛ$ : «${𝒫}_{\text{ext}}(t)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_G(t)+{\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(t)$» dans laquelle
  «${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)$ est la résultante dynamique appliquée à $\left(𝒮\right)$ à l'instant $t$»,
  «${\overrightarrow{V}}_G(t)$ le vecteur vitesse du C.D.I. de $\left(𝒮\right)$ à l'instant $t$ dans le référentiel d'étude $ℛ$»,
  «${\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(t)$ le moment résultant dynamique vectoriel appliqué à $\left(𝒮\right)$ par rapport au C.D.I. de $\left(𝒮\right)$ à l'instant $t$» et
  «${\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(t)$ le vecteur rotation instantanée, à l'instant $t$, de $\left(𝒮\right)$ autour de l'axe ${\mathrm{\Delta }}_G(t)$ dans le référentiel barycentrique du solide ${ℛ}^{*}$» $($ou
  dans le référentiel d'étude $ℛ$, les deux étant en translation l'un par rapport à l'autre$)$ ; Modèle:Transparentdémonstration : comme cela a été introduit dans le paragraphe « application à un système fermé de points matériels indéformable (solide au sens de la mécanique) » plus haut dans ce chapitre, le mouvement général d'un système discret fermé de points matériels «$𝒮$» indéformable $($c'est-à-dire un solide au sens de la mécanique$)$ dans le référentiel d'étude $ℛ$ est un mouvement composé
  Modèle:Transparent$\succ$d'une translation de vecteur vitesse, à l'instant $t$, «${\overrightarrow{V}}_G(t)$ relativement à $ℛ$» dans lequel $G$ est le C.D.I. du système et
  Modèle:Transparent$\succ$d'une rotation autour de son C.D.I. $G$ de vecteur rotation instantanée ${\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(t)$ à l'instant $t$ dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$ du solide d'où
  Modèle:Transparentle vecteur vitesse du point $M_i$ à l'instant $t$ dans $ℛ$, «${\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)={\overrightarrow{V}}_G(t)+{\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(t)\wedge \overrightarrow{G{M}_i}(t)$» dont on déduit l'expression de la puissance développée par la force extérieure agissant sur $M_i$ à l'instant $t$, «$𝒫[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)},t]={\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)={\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot {\overrightarrow{V}}_G(t)+{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot [{\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(t)\wedge \overrightarrow{G{M}_i}(t)]$» et, en ajoutant ces $N$ relations, la puissance ${𝒫}_{\text{ext}}(t)$ cherchée «${𝒫}_{\text{ext}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot {\overrightarrow{V}}_G(t)]+\sum _{i=1}^{i=N}\{{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot [{\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(t)\wedge \overrightarrow{G{M}_i}(t)]\}$» ce qui donne
  Modèle:Transparent$\succ$dans le Modèle:1er terme, après factorisation scalaire par ${\overrightarrow{V}}_G(t)$, «$\sum _{i=1}^{i=N}\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right]\cdot {\overrightarrow{V}}_G(t)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_G(t)$» et
  Modèle:Transparent$\succ$dans le 2^ème terme, en utilisant l'invariance d'un produit mixte par permutation circulaire, «$\sum _{i=1}^{i=N}\{{\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(t)\cdot [\overrightarrow{G{M}_i}(t)\wedge {\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}]\}$» puis la factorisation scalaire par ${\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(t)$, «${\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(t)\cdot \left\{\sum _{i=1}^{i=N}[\overrightarrow{G{M}_i}(t)\wedge {\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}]\right\}={\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(t)\cdot {\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(t)$» en reconnaissant dans le facteur entre accolades le moment résultant dynamique vectoriel appliqué à $\left(𝒮\right)$ à l'instant $t$ par rapport à $G$ d'où
  Modèle:Transparent«${𝒫}_{\text{ext}}(t)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_G(t)+{\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G(t)}(t)$» R.Q.F.D.

Puissance développée par le système de forces intérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels dans le référentiel d'étude

Définition et autres expressions

Modèle:Définition Modèle:AlAutres expressions : la Modèle:1re découle du regroupement par couple $(i,j\ne i)$ des termes de la double somme avec utilisation de ${\overrightarrow{F}}_{j\leftarrow i}=-{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}$ $[$on obtient alors $\frac{N(N-1)}{2}$ termes dans la nouvelle double somme$]$ et de l'introduction du référentiel ${ℛ}_j$ lié au point $M_j$ en translation par rapport au référentiel d'étude $ℛ$,
Modèle:AlModèle:Transparentla 2^nde est obtenue à partir de la Modèle:1re mais sans la restriction permettant de ne pas compter deux fois chaque couple $(i,j\ne i)$ par exemple «$j>i$ $($ou $j<i)$» $[$sans cette restriction on obtient alors $N(N-1)$ termes dans la double somme$]$ d'où le facteur $\frac{1}{2}$ pour compenser :

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$«${𝒫}_{\text{int}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j>i}{𝒫}_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]\right\}=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=i+1..N}{𝒫}_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]\right\}$» avec «${𝒫}_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]={\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i/{ℛ}_j}(t)$» la puissance développée, à l'instant $t$, par la force que le point $M_j$ exerce sur le point $M_i$ dans le référentiel ${ℛ}_j$ lié à $M_j$ en translation par rapport au référentiel d'étude $ℛ$ ;

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$«${𝒫}_{\text{int}}(t)=\frac{1}{2}\left(\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{𝒫}_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]\right\}\right)=\frac{1}{2}\left(\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..i-1}^{j=i+1..N}{𝒫}_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]\right\}\right)$» dans lesquelles «${𝒫}_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]={\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i/{ℛ}_j}(t)$» c'est-à-dire la puissance développée, à l'instant $t$, par la force que $M_j$ exerce sur $M_i$ dans le référentiel ${ℛ}_j$ lié à $M_j$ en translation par rapport au référentiel d'étude $ℛ$ ;

Modèle:AlModèle:Transparentdémonstration de la Modèle:1re autre expression de ${𝒫}_{\text{int}}(t)$ : en regroupant les termes de la double somme $\sum _{i=1}^{i=N}\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)\}$ par couples $(i,j>i)$ on obtient «${𝒫}_{\text{int}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j>i}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)+{\overrightarrow{F}}_{j\leftarrow i}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_j}(t)]\right\}$» puis
Modèle:AlModèle:Transparenten utilisant la Modèle:1re relation introduite dans le principe des actions réciproques à savoir «${\overrightarrow{F}}_{j\leftarrow i}(t)=-{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}(t)$» pour factoriser scalairement le terme entre crochets par «${\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}(t)$», ce qui donne «${𝒫}_{\text{int}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}\{\sum _{j=1..N}^{j>i}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}(t)\cdot [{\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)-{\overrightarrow{V}}_{M_j}(t)]\}$» ou encore,

Modèle:AlModèle:Transparenten évaluant dans le référentiel d'étude $ℛ$ la grandeur vectorielle «${\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)-{\overrightarrow{V}}_{M_j}(t)$» on obtient «${\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)-{\overrightarrow{V}}_{M_j}(t)={\left[\frac{d\overrightarrow{O{M}_i}}{dt}\right]}_{/ℛ}(t)-{\left[\frac{d\overrightarrow{O{M}_j}}{dt}\right]}_{/ℛ}(t)=$ ${\left[\frac{d[\overrightarrow{O{M}_i}-\overrightarrow{O{M}_j}]}{dt}\right]}_{/ℛ}(t)={\left[\frac{d\overrightarrow{M_j{M}_i}}{dt}\right]}_{/ℛ}(t)$» $($cette dernière expression résultant de l'utilisation de la relation de Chasles$)$, c'est-à-dire la dérivée temporelle, dans $ℛ$, du « vecteur position relative $\overrightarrow{M_j{M}_i}(t)$ de $M_i$ relativement à $M_j$ à l'instant $t$» ou, « vecteur position de $M_i$ à l'instant $t$ dans le référentiel ${ℛ}_j$ lié à $M_j$ en translation par rapport à $ℛ$», ou encore, avec ${ℛ}_j$ en translation par rapport à $ℛ$ $\Rightarrow$ «${\left[\frac{d\overrightarrow{M_j{M}_i}}{dt}\right]}_{/ℛ}(t)={\left[\frac{d\overrightarrow{M_j{M}_i}}{dt}\right]}_{/{ℛ}_j}(t)$» cette dernière expression définissant le « vecteur vitesse relative à l'instant $t$ de $M_i$ dans ${ℛ}_j$ noté ${\overrightarrow{V}}_{M_i/{ℛ}_j}(t)$» soit finalement «${\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)-{\overrightarrow{V}}_{M_j}(t)={\overrightarrow{V}}_{M_i/{ℛ}_j}(t)$» et par suite

Modèle:AlModèle:Transparent«${𝒫}_{\text{int}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}\{\sum _{j=1..N}^{j>i}{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow M_j}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i/{ℛ}_j}(t)\}=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j>i}{𝒫}_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow M_j}(t)]\right\}$» R.Q.F.D.

Conséquences

• Modèle:1re conséquence : «${𝒫}_{\text{int}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}\{\sum _{j=1..N}^{j>i}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i/{ℛ}_j}(t)\}$» ne dépendant que des directions communes des axes des repères associés aux référentiels ${ℛ}_j$ et non de leur origine $M_j$, a même valeur dans tout référentiel en translation par rapport aux ${ℛ}_j$, en particulier dans le référentiel d'étude $ℛ$ et le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$ du système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$.
• 2^ème conséquence : Dans le cas général «${𝒫}_{\text{int}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}\{\sum _{j=1..N}^{j>i}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i/{ℛ}_j}(t)\}$» est «$\ne 0$» car dépendant des vitesses relatives des points les uns par rapport aux autres $[$et celles-ci sont non nulles si le système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$ est déformable$]$.
• 3^ème conséquence : Si le système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$ est indéformable $($c'est-à-dire si c'est un solide au sens de la mécanique$)$, «${𝒫}_{\text{int}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}\{\sum _{j=1..N}^{j>i}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i/{ℛ}_j}(t)\}=0$» car «${\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}={\bar{F}}_{i\leftarrow j}{\overrightarrow{u}}_{M_j\to M_i}$» par 2^ème relation du principe des actions réciproques et la composante sur ${\overrightarrow{u}}_{M_j\to M_i}$ de ${\overrightarrow{V}}_{M_i/{ℛ}_j}(t)$ étant ${\dot{r}}_{j,i}(t)$ avec $r_{j,i}=M_j{M}_i=cste$ $\Rightarrow$ ${\dot{r}}_{j,i}(t)=0$ d'où Modèle:Nobr $=0\mathrm{\forall }(i,j>i)$».

Travail développé par des systèmes de forces appliqués à un système discret de points matériels dans le référentiel d'étude

Modèle:AlComme lors de l'introduction de la notion de puissance développée par les systèmes de forces appliqués à un système discret de points matériels nous nous limitons aux systèmes discrets fermés de points matériels pour garder une présentation simple, en effet

Modèle:Aldans le cas d'un système ouvert de points matériels défini comme le contenu intérieur à une surface fermée fixe dite de contrôle $\left(S_{\text{cont}}\right)$, un point matériel qui est situé d'un côté de $\left(S_{\text{cont}}\right)$ à un instant $t_1$ peut être situé de l'autre côté à un instant $t_2$, ce qui fait qu'il peut être extérieur à $\left(𝒮\right)$ à un instant $t_1$ et $\in$ à $\left(𝒮\right)$ à un instant $t_2\dots$

Modèle:AlDans ce qui suit notre point de départ pour définir le travail élémentaire $\delta W$ d'un système de forces correspondant à une durée élémentaire $dt$ d'action du système de forces développant une puissance instantanée $𝒫(t)$ sera «$\delta W=𝒫(t)\times dt$» et
Modèle:AlModèle:Transparentpour définir le travail $W_{\text{sur }[t_0,t_f]}$ d'un système de forces correspondant à un intervalle de temps $[t_0,t_f]$ d'action du système de forces développant une puissance instantanée $𝒫(t)$ sera «$W_{\text{sur }[t_0,t_f]}=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}\delta W=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}𝒫(t)\times dt$».

Travail développé par le système de forces extérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels dans le référentiel d'étude

Définition du travail élémentaire développé par le système de forces extérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels dans le référentiel d'étude

Modèle:Définition Modèle:AlRemarque : «$\delta W_{\text{ext}}(t)=\left\{\sum _{i=1}^{i=N}𝒫\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right]\right\}dt=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{𝒫\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right]\right\}dt=\sum _{i=1}^{i=N}\{{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)\}dt=\sum _{i=1}^{i=N}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot [{\overrightarrow{V}}_{M_i}(t)dt]=\sum _{i=1}^{i=N}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot \overrightarrow{d{M}_i}$» dans laquelle $\overrightarrow{d{M}_i}$ est le vecteur déplacement élémentaire du point $M_i$ sur l'intervalle de temps $[t,t+dt]$ dans $ℛ$ ; «${\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot \overrightarrow{d{M}_i}$» étant aussi le travail élémentaire développé par la force ${\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}$ appliqué à $M_i$ sur l'intervalle de temps $[t,t+dt]$ dans $ℛ$, nous en déduisons la définition équivalente ci-dessous.

Cas particuliers

• Modèle:1er cas particulier, système discret fermé de points matériels «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» en translation d'un vecteur déplacement élémentaire ${\overrightarrow{d𝑙}}_{\left(𝒮\right)\text{en transl.}}$ sur l'intervalle de temps $[t,,t+dt]$ par rapport au référentiel d'étude $ℛ$ : «$\delta W_{\text{ext}}(t)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{d𝑙}}_{\left(𝒮\right)\text{en transl.}}$» dans laquelle
  «${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)$ est la résultante dynamique appliquée à $\left(𝒮\right)$ à l'instant $t$» ; Modèle:Transparentdémonstration : il suffit d'utiliser $\delta W_{\text{ext}}(t)={𝒫}_{\text{ext}}(t)dt$ avec «${𝒫}_{\text{ext}}(t)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_{\left(𝒮\right)\text{en transl.}}(t)$», on obtient ainsi «$\delta W_{\text{ext}}(t)=[{\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_{\left(𝒮\right)\text{en transl.}}(t)]dt$» ou encore, «$\delta W_{\text{ext}}(t)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot [{\overrightarrow{V}}_{\left(𝒮\right)\text{en transl.}}(t)dt]={\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{d𝑙}}_{\left(𝒮\right)\text{en transl.}}$» par définition du vecteur déplacement élémentaire du système en translation, « R.Q.F.D. ».
• 2^ème cas particulier, système discret fermé $($indéformable$)$ de points matériels «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» en rotation d'un angle élémentaire $d\theta$ sur l'intervalle de temps $[t,,t+dt]$ autour d'un axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ fixe du référentiel d'étude $ℛ$ : «$\delta W_{\text{ext}}(t)={ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)d\theta$» dans laquelle
  «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)$ est le moment résultant dynamique scalaire appliqué à $\left(𝒮\right)$ par rapport à l'axe de rotation $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ à l'instant $t$» ; Modèle:Transparentdémonstration : il suffit d'utiliser $\delta W_{\text{ext}}(t)={𝒫}_{\text{ext}}(t)dt$ avec «${𝒫}_{\text{ext}}(t)={ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$» dans laquelle «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)$ est le moment résultant dynamique scalaire appliqué à $\left(𝒮\right)$ par rapport à l'axe de rotation $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ à l'instant $t$» et «$\bar{\mathrm{\Omega }}(t)=\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$ la vitesse angulaire de rotation, à l'instant $t$, de $\left(𝒮\right)$ autour de l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ orienté par ${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$», on obtient ainsi «$\delta W_{\text{ext}}(t)=$ $[{ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)\bar{\mathrm{\Omega }}(t)]dt$» ou encore, «$\delta W_{\text{ext}}(t)={ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)[\bar{\mathrm{\Omega }}(t)dt]={ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)d\theta$» par définition de l'angle élémentaire de rotation du système, « R.Q.F.D. ».

Travail développé par le système de forces extérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels sur une durée finie dans le référentiel d'étude

Définition du travail développé par le système de forces extérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels sur une durée finie dans le référentiel d'étude

Modèle:Définition Modèle:AlRemarque : Ayant établi dans la remarque du paragraphe « définition du travail élémentaire développé par le système de forces extérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels dans le référentiel d'étude » plus haut dans ce chapitre «$\delta W_{\text{ext}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot \overrightarrow{d{M}_i}$» avec $\overrightarrow{d{M}_i}$ le vecteur déplacement élémentaire du point $M_i$ sur l'intervalle de temps $[t,t+dt]$ dans $ℛ$ $\Rightarrow$ «$W_{\text{ext. sur}[t_0,t_f]}=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}\sum _{i=1}^{i=N}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}(t^{\prime })\cdot \overrightarrow{d{M}_i}(t^{\prime })]$» dans laquelle chaque point $M_i$ décrivant une trajectoire spécifique $\left({\mathrm{\Gamma }}_i\right)$ a une position paramétrée par $t$ avec une position initiale notée $M_{i,0}$ et une finale notée $M_{i,f}$ d'où
Modèle:AlModèle:Transparenten permutant l'addition discrète et l'addition continue, conséquence de la linéarité de ces opérations «$W_{\text{ext. sur}[t_0,t_f]}=\sum _{i=1}^{i=N}[\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}(t^{\prime })\cdot \overrightarrow{d{M}_i}(t^{\prime })]$» et
Modèle:AlModèle:Transparenten reconnaissant dans le terme entre crochets la paramétrisation d'une intégrale curviligne «$\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}(t^{\prime })\cdot \overrightarrow{d{M}_i}(t^{\prime })=\underset{M_{i,0}\stackrel{({\mathrm{\Gamma }}_i)}{\to }{M}_{i,f}}{\int }{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot \overrightarrow{d{M}_i}$»,
Modèle:AlModèle:Transparentnous en déduisons alors la définition équivalente ci-dessous.

Cas particuliers

• Modèle:1er cas particulier, système discret fermé de points matériels «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» en translation telle qu'un point quelconque $A$, lié à $\left(𝒮\right)$, suit la trajectoire $\left({\mathrm{\Gamma }}_A\right)$ de $A_0$ à $A_f$ dans le référentiel d'étude $ℛ$ sur l'intervalle de temps $[t_0,t_f]$ : «$W_{\text{sur}[t_0,t_f]}=\underset{A_0\stackrel{({\mathrm{\Gamma }}_A)}{\to }{A}_f}{\int }{\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(A)\cdot \overrightarrow{dA}$» dans laquelle
  «${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(A)$ est la résultante dynamique appliquée en $A\in \left(𝒮\right)$ en une position générique de $\left({\mathrm{\Gamma }}_A\right)$» et
  «$\overrightarrow{dA}$ le vecteur déplacement élémentaire du point $A\in \left(𝒮\right)$ sur $\left({\mathrm{\Gamma }}_A\right)$» ; Modèle:Transparentdémonstration : il suffit d'utiliser «$W_{\text{ext. sur}[t_0,t_f]}=\sum _{i=1}^{i=N}{W}_{\text{sur}[t_0,t_f]}\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right]=\sum _{i=1}^{i=N}[\underset{M_{i,0}\stackrel{({\mathrm{\Gamma }}_i)}{\to }{M}_{i,f}}{\int }{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot \overrightarrow{d{M}_i}]$»Modèle:, dans laquelle $\overrightarrow{d{M}_i}\mathrm{\forall }{M}_i$ est égal à $\overrightarrow{dA}$ au point d'application près, $M_i$ suivant $\left({\mathrm{\Gamma }}_i\right)$ se déduisant de $\left({\mathrm{\Gamma }}_A\right)$ par translation de vecteur $\overrightarrow{A{M}_i}=\overrightarrow{A_0{M}_{i,0}}=\overrightarrow{A_f{M}_{i,f}}$ d'où, en permutant l'addition discrète et l'addition continue, conséquence de la linéarité de ces opérations, et en y substituant $\left\{\overrightarrow{d{M}_i}\left({\mathrm{\Gamma }}_i\right)\right\}$ par $\left\{\overrightarrow{dA}\left({\mathrm{\Gamma }}_A\right)\right\}$ «$W_{\text{ext. sur}[t_0,t_f]}=\underset{A_0\stackrel{({\mathrm{\Gamma }}_A)}{\to }{A}_f}{\int }[\sum _{i=1}^{i=N}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot \overrightarrow{dA}]$» ou encore, après factorisation scalaire par $\overrightarrow{dA}$ dans la fonction à intégrer «$W_{\text{ext. sur}[t_0,t_f]}=\underset{A_0\stackrel{({\mathrm{\Gamma }}_A)}{\to }{A}_f}{\int }\left[\sum _{i=1}^{i=N}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right]\cdot \overrightarrow{dA}=\underset{A_0\stackrel{({\mathrm{\Gamma }}_A)}{\to }{A}_f}{\int }{\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(A)\cdot \overrightarrow{dA}$» par définition de la résultante dynamique du système en translation, « R.Q.F.D. ».
• 2^ème cas particulier, système discret fermé $($indéformable$)$ de points matériels «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» en rotation autour d'un axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ fixe du référentiel d'étude $ℛ$ telle qu'un point quelconque $A$, lié à $\left(𝒮\right)$ mais $\notin \left(\mathrm{\Delta }\right)$, tourne de $A_0$ à $A_f$ autour du $H_A$, le projeté orthogonal de $A$ sur $\left(\mathrm{\Delta }\right)$, l'abscisse angulaire de $A$ dans le plan de sa trajectoire ${\theta }_A=\hat{(\overrightarrow{H_A{A}_{\text{réf}}},\overrightarrow{H_{A}A})}$ variant de ${\theta }_{A,0}$ à ${\theta }_{A,f}$ sur l'intervalle de temps $[t_0,t_f]$ : «$W_{\text{ext. sur}[t_0,t_f]}=\underset{{\theta }_{A,0}}{\overset{{\theta }_{A,f}}{\int }}{ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}({\theta }_A)d{\theta }_A$» dans laquelle
  «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}({\theta }_A)$ est le moment résultant dynamique scalaire appliquée en $A\in \left(𝒮\right)$ en une position générique du cercle décrit » et
  «$d{\theta }_A$ la variation élémentaire de l'abscisse angulaire du point générique $A\in \left(𝒮\right)$» ; Modèle:Transparentdémonstration : il suffit d'utiliser «$W_{\text{ext. sur}[t_0,t_f]}=\sum _{i=1}^{i=N}{W}_{\text{sur}[t_0,t_f]}\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right]=\sum _{i=1}^{i=N}[\underset{M_{i,0}\stackrel{({𝒞}_i)}{\to }{M}_{i,f}}{\int }{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot \overrightarrow{d{M}_i}]$»Modèle:, dans laquelle $\left({𝒞}_i\right)$ est le cercle suivi par $M_i$ avec $\overrightarrow{d{M}_i}$, son vecteur déplacement élémentaire le long de $\left({𝒞}_i\right)$ ou, en utilisant «$\underset{M_{i,0}\stackrel{({𝒞}_i)}{\to }{M}_{i,f}}{\int }{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\cdot \overrightarrow{d{M}_i}=\underset{{\theta }_{i,0}}{\overset{{\theta }_{i,f}}{\int }}{ℳ}_{\mathrm{\Delta }}\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right]d{\theta }_i$», le point $M_i$ se déplaçant sur un Modèle:Nobr on obtient «$W_{\text{ext. sur}[t_0,t_f]}=\sum _{i=1}^{i=N}\left[\underset{{\theta }_{i,0}}{\overset{{\theta }_{i,f}}{\int }}{ℳ}_{\mathrm{\Delta }}\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right]d{\theta }_i\right]$» dans laquelle $d{\theta }_i\mathrm{\forall }{M}_i$ est égal à $d{\theta }_A$ au point d'application près, $M_i$ suivant $\left({𝒞}_i\right)$ se déduisant de $\left({𝒞}_A\right)$ par composition d'une homothétie de centre $H_A$, le projeté orthogonal de $A$ sur l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$, d'une translation de vecteur $\overrightarrow{H_A{H}_i}$, $H_i$ étant le projeté orthogonal de $M_i$ sur l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ et d'une rotation autour de $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ d'un angle $\widehat{(\overrightarrow{H_A{A}_0},\overrightarrow{H_i{M}_{i,0}})}$ d'où, en permutant l'addition discrète et l'addition continue, conséquence de la linéarité de ces opérations, et en y substituant $\{d{\theta }_i,{\theta }_i\in [{\theta }_{i,0},{\theta }_{i,f}]\}$ par $\{d{\theta }_A,{\theta }_A\in [{\theta }_{A,0},{\theta }_{A,f}]\}$ «$W_{\text{ext. sur}[t_0,t_f]}=\underset{{\theta }_{A,0}}{\overset{{\theta }_{A,f}}{\int }}\left\{\sum _{i=1}^{i=N}{ℳ}_{\mathrm{\Delta }}\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right]d{\theta }_A\right\}$» ou «$W_{\text{ext. sur}[t_0,t_f]}=\underset{{\theta }_{A,0}}{\overset{{\theta }_{A,f}}{\int }}\left\{\sum _{i=1}^{i=N}{ℳ}_{\mathrm{\Delta }}\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}\right]\right\}d{\theta }_A$» en factorisant par $d{\theta }_A$ la fonction à intégrer, soit finalement «$W_{\text{ext. sur}[t_0,t_f]}=\underset{{\theta }_{A,0}}{\overset{{\theta }_{A,f}}{\int }}{ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}({\theta }_A)d{\theta }_A$» par définition du moment résultant dynamique scalaire du système en rotation, « R.Q.F.D. ».

Travail développé par le système de forces intérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels dans le référentiel d'étude

Diverses expressions du travail élémentaire développé par le système de forces intérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels dans le référentiel d'étude

Modèle:AlAutres expressions : la Modèle:1re découle de la Modèle:1re autre expression de

${𝒫}_{\text{int}}(t)$

obtenue par regroupement en couple

$(i,j\ne i)$

des termes de la double somme avec utilisation de

${\overrightarrow{F}}_{j\leftarrow i}=-{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}$

Modèle:Nobr obtient alors

$\frac{N(N-1)}{2}$

termes dans la nouvelle double somme

$]$

et introduction du référentiel

${ℛ}_j$

lié au point

$M_j$

en translation par rapport au référentiel d'étude

$ℛ$

, Modèle:1re autre expression de

${𝒫}_{\text{int}}(t)$

s'écrivant «

${𝒫}_{\text{int}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j>i}{𝒫}_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]\right\}=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=i+1..N}{𝒫}_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]\right\}$

» avec «

${𝒫}_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]={\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i/{ℛ}_j}(t)$

» la puissance développée, à l'instant

$t$

, par la force que le point

$M_j$

exerce sur le point

$M_i$

dans le référentiel

${ℛ}_j$ $($

lié à

$M_j$

en translation par rapport au référentiel d'étude

$ℛ)$

dont on déduit, en multipliant les deux membres par

$dt$

,

«$\delta W_{\text{int}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j>i}\delta W_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]\right\}=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=i+1..N}\delta W_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]\right\}$» avec
«$\delta W_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]={\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\cdot d\overrightarrow{M_j{M}_i}(t)$» le travail élémentaire développé sur l'intervalle de temps $[t,t+dt]$
par la force que le point $M_j$ exerce sur le point $M_i$ dans le référentiel ${ℛ}_j$ $($lié à $M_j$ en translation par rapport au référentiel d'étude $ℛ)$ ;

Modèle:AlModèle:Transparentla 2^nde découle de la 2^nde autre expression de

${𝒫}_{\text{int}}(t)$

obtenue à partir de la Modèle:1re mais sans la restriction permettant de ne pas compter deux fois chaque couple

$(i,j\ne i)$

par exemple «

$j>i$ $($

ou

$j<i)$

»

$[$

sans cette restriction on obtient alors

$N(N-1)$

termes dans la double somme

$]$

d'où le facteur

$\frac{1}{2}$

pour compenser, 2^nde autre expression de

${𝒫}_{\text{int}}(t)$

s'écrivant «

${𝒫}_{\text{int}}(t)=\frac{1}{2}\left(\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{𝒫}_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]\right\}\right)=\frac{1}{2}\left(\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..i-1}^{j=i+1..N}{𝒫}_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]\right\}\right)$

» avec «

${𝒫}_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]={\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\cdot {\overrightarrow{V}}_{M_i/{ℛ}_j}(t)$

» la puissance développée, à l'instant

$t$

, par la force que le point

$M_j$

exerce sur le point

$M_i$

dans le référentiel

${ℛ}_j$ $($

lié à

$M_j$

en translation par rapport au référentiel d'étude

$ℛ)$

dont on déduit, en multipliant les deux membres par

$dt$

,

«$\delta W_{\text{int}}(t)=\frac{1}{2}\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}\delta W_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]\right\}=\frac{1}{2}\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..i-1}^{j=i+1..N}\delta W_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]\right\}$» avec
«$\delta W_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]={\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\cdot d\overrightarrow{M_j{M}_i}(t)$» le travail élémentaire développé sur l'intervalle de temps $[t,t+dt]$
par la force que le point $M_j$ exerce sur le point $M_i$ dans le référentiel ${ℛ}_j$ $($lié à $M_j$ en translation par rapport au référentiel d'étude $ℛ)$.

Modèle:AlAvec un repérage sphérique du point

$M_i$

dans le repère associé au référentiel

${ℛ}_j$

 : les coordonnées sphériques du point

$M_i$

dans le repère associé au référentiel

${ℛ}_j$

étant «

$(r_{j,i},{\theta }_{j,i},{\phi }_{j,i})$

» et la base locale sphérique associée «

$({\overrightarrow{u}}_{r_{j,i}}={\overrightarrow{u}}_{M_j\to M_i}={\overrightarrow{u}}_{j,i},{\overrightarrow{u}}_{{\theta }_{j,i}},{\overrightarrow{u}}_{{\phi }_{j,i}})$

», on en déduit l'explicitation de «

${\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}={\bar{F}}_{i\leftarrow j}{\overrightarrow{u}}_{j,i}$

» par 2^ème relation du principe des actions réciproques et celle de «

$d\overrightarrow{M_j{M}_i}=$ $d{r}_{j,i}{\overrightarrow{u}}_{j,i}+r_{j,i}d{\theta }_{j,i}{\overrightarrow{u}}_{{\theta }_{j,i}}+r_{j,i}\sin ({\theta }_{j,i})d{\phi }_{j,i}{\overrightarrow{u}}_{{\phi }_{j,i}}$

»

$\Rightarrow$

«

$\delta W_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]={\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\cdot d\overrightarrow{M_j{M}_i}(t)={\bar{F}}_{i\leftarrow j}d{r}_{j,i}$

» et par suite

«$\delta W_{\text{int}}=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j>i}{\bar{F}}_{i\leftarrow j}d{r}_{j,i}\right\}=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=i+1..N}{\bar{F}}_{i\leftarrow j}d{r}_{j,i}\right\}$» ou
«$\delta W_{\text{int}}=\frac{1}{2}\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\bar{F}}_{i\leftarrow j}d{r}_{j,i}\right\}=\frac{1}{2}\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..i-1}^{j=i+1..N}{\bar{F}}_{i\leftarrow j}d{r}_{j,i}\right\}$».

Modèle:AlModèle:TransparentRemarques :

$\succ$

Si la force d'interaction entre

$M_j$

et

$M_i$

est « attractive », «

${\bar{F}}_{i\leftarrow j}$

est

$<0$

» et
Modèle:AlModèle:Transparentsi Modèle:AlModèle:Transparentelle est « répulsive », «

${\bar{F}}_{i\leftarrow j}$

est

$>0$

».
Modèle:AlModèle:Transparent

$\succ$

De l'explicitation du travail élémentaire

$\delta W_{\text{int}}(t)$

du système des forces intérieures appliqué au système discret fermé de points matériels

$\left(𝒮\right)$

précédemment présenté et de son lien avec la puissance développée par ces forces intérieures

${𝒫}_{\text{int}}(t)=\frac{\delta W_{\text{int}}(t)}{dt}$

on en déduit l'explicitation de la puissance développée par le système des forces intérieures appliqué à

$\left(𝒮\right)$

utilisant le repérage sphérique du point

$M_i$

dans le repère associé au référentiel

${ℛ}_j$

soit

«${𝒫}_{\text{int}}(t)=\sum _{i=1}^{i=N}\{\sum _{j=1..N}^{j>i}{\bar{F}}_{i\leftarrow j}{\dot{r}}_{j,i}(t)\}=\sum _{i=1}^{i=N}\{\sum _{j=i+1..N}{\bar{F}}_{i\leftarrow j}{\dot{r}}_{j,i}(t)\}$» ou
«${𝒫}_{\text{int}}(t)=\frac{1}{2}\sum _{i=1}^{i=N}\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\bar{F}}_{i\leftarrow j}{\dot{r}}_{j,i}(t)\}=\frac{1}{2}\sum _{i=1}^{i=N}\{\sum _{j=1..i-1}^{j=i+1..N}{\bar{F}}_{i\leftarrow j}{\dot{r}}_{j,i}(t)\}$».

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$De ces expressions appliquées à $\left(𝒮\right)$ indéformable on vérifie que «${𝒫}_{\text{int}}(t)=0,\mathrm{\forall }t$» et
Modèle:AlModèle:Transparent«$\delta W_{\text{int}}(t)=0,\mathrm{\forall }t$».

Diverses expressions du travail développé par le système de forces intérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels sur une durée finie dans le référentiel d'étude

Modèle:Définition Modèle:AlAutres expressions : ces expressions résultent de l'addition continue des « diverses expressions du travail élémentaire développé par le système de forces intérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels dans le référentiel d'étude (sous-paragraphe “ autres expressions ”) » établies plus haut dans ce chapitre d'où

Modèle:AlModèle:Transparentla Modèle:1re autre expression «

$W_{\text{int. sur}[t_0,t_f]}=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}\delta W_{\text{int}}(t^{\prime })=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j>i}\delta W_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t^{\prime }]\right\}=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=i+1..N}\delta W_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t^{\prime }]\right\}$

» dans laquelle Modèle:Nobr en utilisant le repérage sphérique du point

$M_i$

dans le repère associé au référentiel

${ℛ}_j$

, cette dernière expression du travail élémentaire conduisant à écrire le travail sur une durée finie, après permutation de la double somme discrète et de la somme continue, à l'aide d'une intégrale curviligne selon

«$W_{\text{int. sur}[t_0,t_f]}=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j>i}\left[\underset{M_{i,0}\stackrel{\left({\mathrm{\Gamma }}_{i,/{ℛ}_j}\right)}{⟶}{M}_{i,f}}{\int }{\bar{F}}_{i\leftarrow j}d{r^{\prime }}_{j,i}\right]\right\}=\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=i+1..N}\left[\underset{M_{i,0}\stackrel{\left({\mathrm{\Gamma }}_{i,/{ℛ}_j}\right)}{⟶}{M}_{i,f}}{\int }{\bar{F}}_{i\leftarrow j}d{r^{\prime }}_{j,i}\right]\right\}$»
avec $\left({\mathrm{\Gamma }}_{i,/{ℛ}_j}\right)$ la trajectoire du point $M_i$ dans le référentiel ${ℛ}_j$ lié à $M_j$ en translation par rapport au référentiel d'étude $ℛ$ et

Modèle:AlModèle:Transparentla 2^ème autre expression «

$W_{\text{int. sur}[t_0,t_f]}=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}\delta W_{\text{int}}(t^{\prime })=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}\frac{1}{2}\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}\delta W_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t^{\prime }]\right\}=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}\frac{1}{2}\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..i-1}^{j=i+1..N}\delta W_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t^{\prime }]\right\}$

» dans laquelle «

$\delta W_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j},t]={\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\cdot d\overrightarrow{M_j{M}_i}(t)={\bar{F}}_{i\leftarrow j}d{r}_{j,i}(t)$

» en utilisant le repérage sphérique du point

$M_i$

dans le repère associé au référentiel

${ℛ}_j$

, cette dernière expression du travail élémentaire conduisant à écrire le travail sur une durée finie, après permutation de la double somme discrète et de la somme continue, à l'aide d'une intégrale curviligne selon

«$W_{\text{int. sur}[t_0,t_f]}=\frac{1}{2}\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}\left[\underset{M_{i,0}\stackrel{\left({\mathrm{\Gamma }}_{i,/{ℛ}_j}\right)}{⟶}{M}_{i,f}}{\int }{\bar{F}}_{i\leftarrow j}d{r^{\prime }}_{j,i}\right]\right\}=\frac{1}{2}\sum _{i=1}^{i=N}\left\{\sum _{j=1..i-1}^{j=i+1..N}\left[\underset{M_{i,0}\stackrel{\left({\mathrm{\Gamma }}_{i,/{ℛ}_j}\right)}{⟶}{M}_{i,f}}{\int }{\bar{F}}_{i\leftarrow j}d{r^{\prime }}_{j,i}\right]\right\}$»
avec $\left({\mathrm{\Gamma }}_{i,/{ℛ}_j}\right)$ la trajectoire du point $M_i$ dans le référentiel ${ℛ}_j$ lié à $M_j$ en translation par rapport au référentiel d'étude $ℛ$.

Systèmes de forces conservatifs appliqués à un système discret fermé de points matériels et énergies potentielles associées du système discret de points matériels

Modèle:AlPréliminaires : Le caractère conservatif d'un système de forces n'est introduit que pour un système de forces ne dépendant pas explicitement du temps $[$il est néanmoins possible de définir le caractère conservatif d'un système de forces dépendant explicitement du temps si ce système de forces est conservatif à dépendance du temps figée mais l'intérêt de faire cela, du point de vue énergétique, étant quasi-nul, nous nous abstenons$]$.

Modèle:AlModèle:TransparentComme lors de l'introduction de la notion de travail élémentaire développée par les systèmes de forces appliqués à un système discret de points matériels nous nous limitons aux systèmes discrets fermés de points matériels pour garder une présentation simple, en effet

Modèle:AlModèle:Transparentdans le cas d'un système ouvert de points matériels défini comme le contenu intérieur à une surface fermée fixe dite de contrôle $\left(S_{\text{cont}}\right)$, un point matériel qui est situé d'un côté de $\left(S_{\text{cont}}\right)$ à un instant $t_1$ peut être situé de l'autre côté à un instant $t_2$, ce qui fait qu'il peut être extérieur à $\left(𝒮\right)$ à un instant $t_1$ et $\in$ à $\left(𝒮\right)$ à un instant $t_2\dots$

Système de forces extérieures conservatif appliqué à un système discret fermé de points matériels et énergie potentielle du système discret de points matériels dans ce champ de forces extérieures conservatif

Définitions

Modèle:Définition Modèle:AlRemarque : Les C.N. pour que la forme différentielle «${\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)}\cdot \overrightarrow{d{M}_i}$» soit une différentielle de fonction scalaire peuvent être étudiées dans le paragraphe « recherche de conditions nécessaires pour qu'une forme différentielle soit une différentielle de fonction scalaire » du chap.$28$ de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI », le caractère suffisant de ces C.N. étant usuellement vérifié pour les fonctions vectorielles ${\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)}(M_i)$ utilisées $[$mais néanmoins, il faut savoir que les C.N. ne sont pas systématiquement suffisantes, voir le paragraphe « conditions suffisantes pour qu'une forme différentielle soit une différentielle de fonction » du chap.$28$ de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI »$]$.

Modèle:Définition Modèle:AlRemarque : L'énergie potentielle du système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$ dans le champ du système de forces extérieures conservatif $\left({ℱ}_k\right)$ étant définie à une constante additive près, il faut « préciser la référence de l'énergie potentielle » c'est-à-dire préciser la valeur des coordonnées des points pour laquelle l'énergie potentielle est choisie nulle.

Cas particuliers

Modèle:AlModèle:1er cas particulier, système discret fermé de points matériels «

$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$

» dans lequel «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» en translation d'un vecteur déplacement élémentaire

${\overrightarrow{d𝑙}}_{\left(𝒮\right)\text{en transl.}}$

sur l'intervalle de temps

$[t,,t+dt]$

par rapport au référentiel d'étude

$ℛ$

pour lequel le système de forces extérieures «

${\left\{{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)}\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}=\left({ℱ}_k\right)$

» appliqué à

$\left(𝒮\right)$

et résultant de l'action du système

$\left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)$

extérieur à

$\left(𝒮\right)$

est conservatif c'est-à-dire tel que «

$\delta W\left({ℱ}_k\right)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext},{ℱ}_k}(t)\cdot {\overrightarrow{d𝑙}}_{\left(𝒮\right)\text{en transl.}}$

» est une différentielle de fonction scalaire avec «

${\overrightarrow{F}}_{\text{ext},{ℱ}_k}(t)=\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)}(t)$

la résultante du système des forces extérieures

$\left({ℱ}_k\right)$

», ce travail élémentaire s'écrivant encore «

$\delta W\left({ℱ}_k\right)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext},{ℱ}_k}(t)\cdot \overrightarrow{dA}$

avec

$A$

un point quelconque lié à

$\left(𝒮\right)$

» s'identifie à l'opposé de la différentielle de l'énergie potentielle de

$\left(𝒮\right)$

dans le champ du système des forces extérieures

$\left({ℱ}_k\right)$

notée

$U_{\text{ext},{ℱ}_k}(A)$

fonction des

$3$

coordonnées du point

$A$

selon

«$\delta W\left({ℱ}_k\right)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext},{ℱ}_k}\cdot \overrightarrow{dA}=-d{U}_{\text{ext},{ℱ}_k}(A)$»
$\Updownarrow$
«${\overrightarrow{F}}_{\text{ext},{ℱ}_k}=-\overrightarrow{\text{grad}}\left[U_{\text{ext},{ℱ}_k}\right](A)$» dans laquelle
«${\overrightarrow{F}}_{\text{ext},{ℱ}_k}=\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)}$ est la résultante du système des forces extérieures $\left({ℱ}_k\right)$» ;

Modèle:AlModèle:Transparentl'expression de l'énergie potentielle du système $\left(𝒮\right)$ en translation dans le champ du système des forces extérieures $\left({ℱ}_k\right)$ $($au choix de la référence près$)$ ne dépend pas du choix du point $A$ lié au système $\left(𝒮\right)$ $[$usuellement on choisit pour $A$ le C.D.I. $G$ de $\left(𝒮\right)]\dots$

Modèle:Al2^ème cas particulier, système discret fermé (indéformable) de points matériels «

$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$

» dans lequel «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» en rotation d'un angle élémentaire

$d\theta$

sur l'intervalle de temps

$[t,,t+dt]$

autour d'un axe

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

fixe du référentiel d'étude

$ℛ$

pour lequel le système de forces extérieures «

${\left\{{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)}\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}=\left({ℱ}_k\right)$

» appliqué à

$\left(𝒮\right)$

et résultant de l'action du système

$\left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)$

extérieur à

$\left(𝒮\right)$

est conservatif c'est-à-dire tel que «

$\delta W\left({ℱ}_k\right)={ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext},{ℱ}_k}(t)d\theta$

» est une différentielle de fonction scalaire avec «

${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext},{ℱ}_k}(t)=\sum _{i=1..N}{ℳ}_{\mathrm{\Delta }}\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)}\right](t)$

le moment résultant scalaire du système des forces extérieures

$\left({ℱ}_k\right)$

par rapport à l'axe

$\left(\mathrm{\Delta }\right)$

», ce travail élémentaire s'identifie à l'opposé de la différentielle de l'énergie potentielle de

$\left(𝒮\right)$

dans le champ du système des forces extérieures

$\left({ℱ}_k\right)$

notée

$U_{\text{ext},{ℱ}_k}(\theta )$

fonction de l'abscisse angulaire de rotation

$\theta$

selon

«$\delta W\left({ℱ}_k\right)={ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext},{ℱ}_k}(\theta )d\theta =-d{U}_{\text{ext},{ℱ}_k}(\theta )$»
$\Updownarrow$
«${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext},{ℱ}_k}(\theta )=-\frac{d{U}_{\text{ext},{ℱ}_k}}{d\theta }(\theta )$» dans laquelle
«${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext},{ℱ}_k}=\sum _{i=1..N}{ℳ}_{\mathrm{\Delta }}\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)}\right]$ est le moment résultant scalaire du système des forces extérieures $\left({ℱ}_k\right)$» ;

Modèle:AlModèle:Transparentl'expression de l'énergie potentielle du système $\left(𝒮\right)$ en rotation dans le champ du système des forces extérieures $\left({ℱ}_k\right)$ $($au choix de la référence près$)$ ne dépend pas du choix de la direction, liée au système $\left(𝒮\right)$, par rapport à laquelle est définie l'abscisse angulaire de rotation $\theta \dots$

Système de forces intérieures conservatif appliqué à un système discret fermé de points matériels et énergie potentielle du système discret de points matériels dans ce champ de forces intérieures conservatif (ou énergie potentielle d'interaction du système de points)

Définitions

Modèle:Définition Modèle:AlRemarque : Avec un repérage sphérique du point $M_i$ dans le repère associé au référentiel ${ℛ}_j(j>i)$, nous avons établi dans le paragraphe « diverses expressions du travail élémentaire développé par le système de forces intérieures appliqué à un système discret fermé de points matériels dans le référentiel d'étude (avec un repérage sphérique …) » plus haut dans ce chapitre une expression du travail élémentaire de la force intérieure que $M_j$ exerce sur $M_i$ adaptable, dans le cas présent, selon «$\delta W_{/{ℛ}_j}[{\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j},t]={\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}\cdot d\overrightarrow{M_j{M}_i}={\bar{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}d{r}_{j,i}$» avec «$r_{j,i}=M_j{M}_i$ la coordonnée radiale de $M_i$ dans le repère associé à ${ℛ}_j$» et «${\bar{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}$ la seule composante radiale de ${\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}$ appliquée à $M_i$ dans le repère associé à ${ℛ}_j$», d'où

Modèle:Définition Modèle:AlRemarque : Les C.N. pour que la forme différentielle «${\bar{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}d{r}_{j,i}$» soit une différentielle de fonction scalaire $[$voir le paragraphe « recherche de conditions nécessaires pour qu'une forme différentielle soit une différentielle de fonction scalaire » du chap.$28$ de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI »$]$ donnent, dans le cas présent, que «${\bar{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}$, la seule composante radiale de ${\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}$ appliquée à $M_i$ dans le repère associé à ${ℛ}_j$, doit être indépendante des coordonnées angulaires $({\theta }_{j,i},{\phi }_{j,i})$ du point $M_i$ dans le repérage sphérique lié à ce point associé au référentiel ${ℛ}_j$», le caractère suffisant de ces C.N. étant usuellement vérifié pour les fonctions scalaires ${\bar{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}(r_{j,i})$ utilisées $[$mais néanmoins, il faut savoir que les C.N. ne sont pas systématiquement suffisantes, voir le paragraphe « conditions suffisantes pour qu'une forme différentielle soit une différentielle de fonction » du chap.$28$ de la leçon « Outils mathématiques pour la physique (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI »$]$.

Modèle:Définition Modèle:AlRemarques : L'énergie potentielle du système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$ dans le champ du système de forces intérieures conservatif $\left({ℱ}_{{\text{interact}}_q}\right)$ étant définie à une constante additive près, il faut « préciser la référence de cette énergie potentielle » : usuellement « la référence de $U_{\text{int},\left({ℱ}_{{\text{interact}}_q}\right)}\left[{\left\{r_{j,i}\right\}}_{\lfloor \begin{array}{c}i=1..N\\ j=i+1..N\end{array}\rceil }\right]$» est choisie pour les points du système $\left(𝒮\right)$ éloignés à l'infini les uns des autres c'est-à-dire « pour $r_{j,i}=\mathrm{\infty }\mathrm{\forall }(i,j\ne i)\in {\left[[1,N]\right]}^2$».

Modèle:AlModèle:TransparentL'énergie potentielle du système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$ dans le champ du système de forces intérieures conservatif $\left({ℱ}_{{\text{interact}}_q}\right)$ ne dépendant que des distances mutuelles séparant les différents points du système entre eux et celles-ci étant indépendantes du référentiel dans lesquelles elles sont définies, on en déduit que «$U_{\text{int},\left({ℱ}_{{\text{interact}}_q}\right)}\left[{\left\{r_{j,i}\right\}}_{\lfloor \begin{array}{c}i=1..N\\ j=i+1..N\end{array}\rceil }\right]$ est invariante par changement de référentiel ».

Modèle:AlRemarques : L'énergie potentielle du système discret fermé de points matériels

$\left(𝒮\right)$

dans le champ du système de forces intérieures conservatif

$\left({ℱ}_{{\text{interact}}_q}\right)$

peut se réécrire en remplaçant la restriction

$j>i$

par celle

$j\ne i$

mais alors chaque couple

$(i,j\ne i)$

étant compté deux fois il convient de multiplier par le facteur

$\frac{1}{2}$

d'où la réécriture de sa définition

«$U_{\text{int},\left({ℱ}_{{\text{interact}}_q}\right)}\left[{\left\{r_{j,i}\right\}}_{\lfloor \begin{array}{c}i=1..N\\ j=i+1..N\end{array}\rceil }\right]=\frac{1}{2}\left\{\sum _{i=1}^{i=N}\left[\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{U}_{{\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}}\left(r_{j,i}\right)\right]\right\}$» avec
«$U_{{\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}}\left(r_{j,i}\right)$» définie de la même façon c'est-à-dire telle que
«$\frac{d{U}_{{\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}}}{d{r}_{j,i}}(r_{j,i})=-{\bar{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}(r_{j,i})=-{\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}\cdot {\overrightarrow{u}}_{j\to i}$».

Modèle:AlModèle:TransparentAvec le choix de « référence pour $U_{{\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}}\left(r_{j,i}\right)$» «$r_{j,i}=\mathrm{\infty }$», nous en déduisons le signe de l'énergie potentielle du système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$ dans le champ du système de forces intérieures conservatif $\left({ℱ}_{{\text{interact}}_q}\right)$ si chaque composante radiale de force ${\bar{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}(r_{j,i})$ est de $($même$)$ variation monotone à savoir
Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$si les forces d'interaction de type ${}_q$ sont « purement attractives » «${\bar{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}(r_{j,i})$ est $<0,\mathrm{\forall }{r}_{j,i}$» $\Rightarrow$ $U_{{\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}}\left(r_{j,i}\right)$ étant $\nearrow$ quand $r_{j,i}\nearrow$ jusqu'à sa valeur de référence nulle d'où «$U_{{\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}}\left(r_{j,i}\right)$ est $<0,\mathrm{\forall }{r}_{j,i}$» $\Rightarrow$ «$U_{\text{int},\left({ℱ}_{{\text{interact}}_q}\right)}\left[{\left\{r_{j,i}\right\}}_{\lfloor \begin{array}{c}i=1..N\\ j=i+1..N\end{array}\rceil }\right]<0$» et
Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$si les forces d'interaction de type ${}_q$ sont « purement répulsives » «${\bar{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}(r_{j,i})$ est $>0,\mathrm{\forall }{r}_{j,i}$» $\Rightarrow$ $U_{{\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}}\left(r_{j,i}\right)$ étant $\searrow$ quand $r_{j,i}\nearrow$ jusqu'à sa valeur de référence nulle d'où «$U_{{\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}}\left(r_{j,i}\right)$ est $>0,\mathrm{\forall }{r}_{j,i}$» $\Rightarrow$ «$U_{\text{int},\left({ℱ}_{{\text{interact}}_q}\right)}\left[{\left\{r_{j,i}\right\}}_{\lfloor \begin{array}{c}i=1..N\\ j=i+1..N\end{array}\rceil }\right]>0$».

Exemples d'énergie potentielle d'interaction d'un système fermé de charges ponctuelles

Modèle:AlDans un système fermé de charges ponctuelles «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(q_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$», existe, entre les charges, une interaction électrique suivant la « loi d'interaction de Coulomb » dont l'énoncé est rappelé ci-après :

Modèle:Théorème Modèle:AlRemarque : L'interaction électrostatique est « attractive si $q_1{q}_2$ est $<0$» et « répulsive si $q_1{q}_2$ est $>0$».

Modèle:AlPropriétés : Le caractère conservatif des forces d'interaction de Coulomb est établi dans le paragraphe « établissement du caractère conservatif de la force électrostatique qu'un point O de charge q_O exerce sur un autre point M de charge q » du chap.$16$ de la leçon « Mécanique 1 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI », il résulte du fait que le travail élémentaire de la force «${\overrightarrow{F}}_{M_2\leftarrow M_1}=$ $\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{q_1{q}_2}{r_{1,2}^2}{\overrightarrow{u}}_{1\to 2}$» que $M_1$ exerce sur $M_2$ dans le vide, évalué dans un référentiel lié à $M_1$, s'écrivant «$\delta W\left[{\overrightarrow{F}}_{M_2\leftarrow M_1}\right]={\overrightarrow{F}}_{M_2\leftarrow M_1}\cdot d\overrightarrow{M_1{M}_2}=\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{q_1{q}_2}{r_{1,2}^2}d{r}_{1,2}$» est une différentielle de fonction scalaire, la C.N. à savoir « le cœfficient de $d{r}_{1,2}$ ne dépendant que de $r_{1,2}$» étant vérifiée et celle-ci étant suffisante pour «$r_{1,2}$ variant sur $]0,+\mathrm{\infty }[$».

Modèle:AlModèle:TransparentL'énergie potentielle d'interaction de Coulomb entre les deux charges ponctuelles a également été établie $[$voir le paragraphe « énergie potentielle électrostatique d'un point M de charge q dans le champ électrique d'un autre point O de charge q_O » du chap.$16$ de la leçon « Mécanique 1 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI »$]$, l'expression de l'énergie potentielle de $M_1$ dans le champ électrostatique créé par $M_2$ «${ℰ}_{\text{pot. élect.}\leftarrow M_1}$» résulte de «$\delta W\left[{\overrightarrow{F}}_{M_2\leftarrow M_1}\right]=-d{ℰ}_{\text{pot. élect.}\leftarrow M_1}$» $\Rightarrow$ $\frac{d{ℰ}_{\text{pot. élect.}\leftarrow M_1}}{d{r}_{1,2}}=-\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{q_1{q}_2}{r_{1,2}^2}$ soit «${ℰ}_{\text{pot. élect.}\leftarrow M_1}=\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{q_1{q}_2}{r_{1,2}}$ en choisissant sa référence pour $r_{1,2}=\mathrm{\infty }$» $[$c'est aussi l'expression de l'énergie potentielle de $M_2$ dans le champ électrostatique créé par $M_1$ «${ℰ}_{\text{pot. élect.}\leftarrow M_2}$» d'où le nom d'« énergie potentielle d'interaction de Coulomb entre les deux charges ponctuelles » que l'on notera maintenant «${ℰ}_{\text{pot. élect.}{M}_1\leftrightarrow M_2}$»$]$.

Modèle:AlModèle:TransparentL'énergie potentielle d'interaction de Coulomb d'un système fermé de charges ponctuelles «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(q_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» écrite sous la forme symétrisée «${ℰ}_{\text{pot. élect. de}\left(𝒮\right)}\left[{\left\{r_{j,i}\right\}}_{\lfloor \begin{array}{c}i=1..N\\ j=i+1..N\end{array}\rceil }\right]=\frac{1}{2}\left\{\sum _{i=1}^{i=N}\left[\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{ℰ}_{\text{pot. élect.}i\leftrightarrow j}\left(r_{j,i}\right)\right]\right\}=\frac{1}{2}\left\{\sum _{i=1}^{i=N}\left[\sum _{j=1..N}^{j\ne i}\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{q_i{q}_j}{r_{j,i}}\right]\right\}=\frac{1}{2}\left\{\sum _{i=1}^{i=N}{q}_i\left[\sum _{j=1..N}^{j\ne i}\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{q_j}{r_{j,i}}\right]\right\}$» peut être réécrite en utilisant la notion de potentiel électrostatique dont « dérive » un champ électrostatique $[$un champ électrostatique $\overrightarrow{E}(M)$ étant un champ à circulation conservative $\{$c'est-à-dire tel que sa circulation élémentaire «$\delta 𝒞\left(\overrightarrow{E}\right)$ $=\overrightarrow{E}(M)\cdot \overrightarrow{dM}$» est une différentielle de fonction scalaire$\}$, il « dérive » d'un potentiel électrostatique $V(M)$ défini $($à une constante additive près, d'où la nécessité de préciser la référence du potentiel$)$ par «$\delta 𝒞\left(\overrightarrow{E}\right)=-dV$» ou par «$\overrightarrow{E}(M)=-\overrightarrow{\text{grad}}\left[V\right](M)$», une charge ponctuelle $M\left(q\right)$ dans un champ électrostatique $\overrightarrow{E}(M)$ est soumise à une force électrostatique «$\overrightarrow{F}(M)=q\overrightarrow{E}(M)$» conservative « dérivant » de l'énergie potentielle électrostatique «${ℰ}_{\text{pot. élect.}}(M)=qV(M)$» $($avec les références de l'énergie potentielle et du potentiel au même endroit$\left)\right]$ avec «$\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{q_j}{r_{j,i}}$ le potentiel électrostatique créé par la charge ponctuelle $M_j\left(q_j\right)$ au point $M_i$ noté $V_{q_j}(M_i)$» et «$\sum _{j=1..N}^{j\ne i}\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{q_j}{r_{j,i}}$ le potentiel électrostatique créé par le système $\left(𝒮\right)$ des charges ponctuelles à l'exception de $M_i\left(q_i\right)$ au point $M_i$ noté $V_{(𝒮)/\left\{q_i\right\}}(M_i)$» d'où «${ℰ}_{\text{pot. élect. de}\left(𝒮\right)}\left[{\left\{r_{j,i}\right\}}_{\lfloor \begin{array}{c}i=1..N\\ j=i+1..N\end{array}\rceil }\right]=\frac{1}{2}[\sum _{i=1}^{i=N}{q}_i{V}_{(𝒮)/\left\{q_i\right\}}(M_i)]$», forme qui a l'avantage d'effectuer une évaluation méthodique permettant d'éviter l'oubli de termes.

Modèle:1er exemple : atome d'Hélium

Positionnement du noyau et des deux électrons d'un atome d'Hélium dans le cadre de la mécanique newtonienne

Modèle:AlNous nous proposons de déterminer l'énergie potentielle d'interaction électrostatique d'un atome d'Hélium «${ℰ}_{\text{pot. élect.},He}$» modélisé en un système de $3$ charges ponctuelles $(e$ représentant la charge élémentaire $e\simeq 1,6010^{-19}C)$ :

• un noyau $($noté $N$ ou “ $3$ ” sur le schéma ci-contre$)$ de charge «$q_N=q_3=+2e$», respectivement de coordonnées radiales $r_{1,3}=r_1$ dans le repérage sphérique du référentiel ${ℛ}_1$ lié à l'électron “ $1$ ” et $r_{2,3}=r_2$ dans le repérage sphérique du référentiel ${ℛ}_2$ lié à l'électron “ $2$ ” ainsi que
• deux électrons $($notés respectivement “ $1$ ” et “ $2$ ” sur le schéma ci-contre$)$ de charge «$q_1=q_2=-e$», l'électron “ $2$ ” étant de coordonnée radiale $r_{1,2}$ dans le repérage sphérique du référentiel ${ℛ}_1$ lié à l'électron “ $1$ ” et l'électron “ $1$ ” de même coordonnée radiale $r_{2,1}=r_{1,2}$ dans le repérage sphérique du référentiel ${ℛ}_2$ lié à l'électron “ $2$ ” ;

Modèle:Alpour cela nous utilisons l'expression «${ℰ}_{\text{pot. élect.},He}(r_{1,2},r_{13},r_{2,3})=\sum _{i=1}^{i=3}\left[\sum _{j=1..3}^{j<i}{ℰ}_{\text{pot. élect.}i\leftrightarrow j}\left(r_{j,i}\right)\right]$» soit, en explicitant tous les termes, Modèle:Nobr $=[{ℰ}_{\text{pot. élect.}1\leftrightarrow 2}\left(r_{1,2}\right)+{ℰ}_{\text{pot. élect.}1\leftrightarrow 3}\left(r_{1,3}\right)]+\left[{ℰ}_{\text{pot. élect.}2\leftrightarrow 3}\left(r_{2,3}\right)\right]$», les termes entre les deux 1^ers crochets correspondant à l'énergie potentielle électrostatique de l'électron “ $1$ ” dans le champ électrique de l'électron “ $2$ ” et du noyau “ $3$ ”, le terme entre les deux derniers crochets à l'énergie potentielle électrostatique de l'électron “ $2$ ” dans le champ électrique du noyau “ $3$ ”, soit

• «${ℰ}_{\text{pot. élect.}1\leftrightarrow 2}\left(r_{1,2}\right)+{ℰ}_{\text{pot. élect.}1\leftrightarrow 3}\left(r_{1,3}\right)=\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{e^2}{r_{1,2}}-\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{2e^2}{r_{1,3}}=\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{e^2}{r_{1,2}}-\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{2e^2}{r_1}$» et
• «${ℰ}_{\text{pot. élect.}2\leftrightarrow 3}\left(r_{2,3}\right)=-\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{2e^2}{r_{2,3}}=-\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{2e^2}{r_2}$» d'où

«${ℰ}_{\text{pot. élect.},He}=-\frac{2e^2}{4\pi {\epsilon }_0}[\frac{1}{r_1}+\frac{1}{r_2}]+\frac{e^2}{4\pi {\epsilon }_0}\frac{1}{r_{1,2}}$»,

Modèle:Alles deux 1^ers termes correspondant à l'interaction attractive entre le noyau et chaque électron, le 3^ème à l'interaction répulsive entre les deux électrons.

Maille de la structure cubique du cristal de chlorure de sodium

2^ème exemple : modèle d'un cristal ionique linéaire infini du chlorure de sodium

Modèle:AlPréliminaire : Voir ci-contre la représentation du modèle du cristal ionique de chlorure de sodium, les deux types d'ions $N{a}^{+}$ et $C{l}^{-}$ étant positionné chacun aux nœuds d'une maille d'une structure cubique à faces centrées, plus précisément

Modèle:AlModèle:Transparentles ions $C{l}^{-}$ sont aux nœuds d'une structure cubique à faces centrées dont les sommets s'identifient à la maille de la structure cubique ionique du chlorure de sodium et

Modèle:AlModèle:Transparentles ions $N{a}^{+}$ aux nœuds d'une autre structure cubique à faces centrées décalée d'« une demi-arête de $2,81\text{Å}$» suivant l'une des trois directions de la structure cubique ;

Modèle:AlModèle:Transparentpour obtenir un ordre de grandeur de l'énergie potentielle d'interaction électrostatique d'une paire d'ions de chlorure de sodium Modèle:Nobr on adopte une modélisation linéaire du cristal ionique de $NaCl$ permettant d'aborder l'évaluation de «${ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl}$» de façon élémentaire, le cristal linéaire ionique s'étendant à l'infini suivant la direction unique du cristal.

Modèle:Al$▸$ Énergie potentielle d'interaction électrostatique d'une maille du modèle linéaire du chlorure de sodium supposé d'expansion infinie

Représentation du modèle linéaire du cristal ionique du chlorure de sodium

Modèle:AlModélisation linéaire du cristal ionique de $NaCl$ : voir ci-contre, chaque type d'ions se succédant sur une droite en étant distant de ses deux voisins les plus proches de «$𝔞=2,81\text{Å}$», nous supposons qu'il y a au total «$N$ anions $C{l}^{-}$» et «$N$ cations $N{a}^{+}$» avec «$N$ suffisamment grand pour qu'il puisse être assimilé à l'infini » ;
Modèle:AlModèle:Transparentpour évaluer l'énergie potentielle d'interaction électrostatique d'une maille du modèle linéaire du chlorure de sodium «${ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{lin.}}$», on considère un couple « anion - cation voisins » noté respectivement $(\text{“}0\text{”},\text{“}{0}^{\prime }\text{”})$ choisi en position centrale de la chaîne de façon à ce que les ions des extrémités de celle-ci aient une action négligeable sur les ions centraux, «${ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{lin.}}$» étant alors l'énergie potentielle d'interaction des ions situés de part et d'autre du couple $(\text{“}0\text{”},\text{“}{0}^{\prime }\text{”})$ sur le couple lui-même avec utilisation de l'invariance du réseau linéaire par translation de longueur $2𝔞$ le long de la chaîne ;

• considérant l'anion $C{l}^{-}$ au nœud “$0$”, l'énergie potentielle d'interaction électrostatique de cet ion dans le champ de tous les autres ions notée «${ℰ}_{\text{pot. élect.},C{l}^{-}=\text{“}0\text{”}\text{lin.}}$» peut se déterminer sous la forme Modèle:Nobr $=\frac{1}{2}{q}_{\left\{\text{“}0\text{”}\right\}}{V}_{NaCl\text{lin.}/\left\{\text{“}0\text{”}\right\}}(\text{“}0\text{”})$» soit «${ℰ}_{\text{pot. élect.},C{l}^{-}=\text{“}0\text{”}\text{lin.}}\simeq \frac{1}{2}(-e)\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}[\sum _{i=-\mathrm{\infty }..-1}^{i=1..+\mathrm{\infty }}\frac{-e}{r_{\text{“}i\text{”},\text{“}0\text{”}}}+\sum _{j^{\prime }=-\mathrm{\infty }..-1}^{j^{\prime }=0..+\mathrm{\infty }}\frac{+e}{r_{\text{“}{j}^{\prime }\text{”},\text{“}0\text{”}}}]$», chaque somme pouvant être simplifiée en tenant compte de la symétrie du réseau selon $\left\{\begin{array}{ccccc}\sum _{i=-\mathrm{\infty }..-1}^{i=1..+\mathrm{\infty }}\frac{-e}{r_{\text{“}i\text{”},\text{“}0\text{”}}}& =& 2\left(\sum _{i=1..+\mathrm{\infty }}\frac{-e}{r_{\text{“}i\text{”},\text{“}0\text{”}}}\right)& =& \sum _{i=1..+\mathrm{\infty }}\frac{-2e}{2i𝔞}\\ \sum _{j^{\prime }=-\mathrm{\infty }..-1}^{j^{\prime }=0..+\mathrm{\infty }}\frac{+e}{r_{\text{“}{j}^{\prime }\text{”},\text{“}0\text{”}}}& =& 2\left(\sum _{j^{\prime }=0..+\mathrm{\infty }}\frac{+e}{r_{\text{“}{j}^{\prime }\text{”},\text{“}0\text{”}}}\right)& =& \sum _{j^{\prime }=0..+\mathrm{\infty }}\frac{2e}{(2j^{\prime }+1)𝔞}\end{array}\right\}$, la somme des deux sommes se réécrivant Modèle:Nobr $=\frac{2e}{𝔞}\left[\sum _{n=1..+\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^{(n-1)}}{n}\right]$» $\Rightarrow$ «${ℰ}_{\text{pot. élect.},C{l}^{-}=\text{“}0\text{”}\text{lin.}}\simeq \frac{-e^2}{4\pi {\epsilon }_0𝔞}\left[\sum _{n=1..+\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^{(n-1)}}{n}\right]$» ;
• considérant le cation $N{a}^{+}$ au nœud “$0^{\prime }$”, l'énergie potentielle d'interaction électrostatique de cet ion dans le champ de tous les autres ions notée «${ℰ}_{\text{pot. élect.},N{a}^{+}=\text{“}{0}^{\prime }\text{”}\text{lin.}}$» peut se déterminer sous la forme «${ℰ}_{\text{pot. élect.},N{a}^{+}=\text{“}{0}^{\prime }\text{”}\text{lin.}}=\frac{1}{2}{q}_{\left\{\text{“}{0}^{\prime }\text{”}\right\}}{V}_{NaCl\text{lin.}/\left\{\text{“}{0}^{\prime }\text{”}\right\}}(\text{“}{0}^{\prime }\text{”})$» soit «${ℰ}_{\text{pot. élect.},N{a}^{+}=\text{“}{0}^{\prime }\text{”}\text{lin.}}\simeq \frac{1}{2}(+e)\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}[\sum _{i^{\prime }=-\mathrm{\infty }..-1}^{i^{\prime }=1..+\mathrm{\infty }}\frac{+e}{r_{\text{“}{i}^{\prime }\text{”},\text{“}{0}^{\prime }\text{”}}}+\sum _{j=-\mathrm{\infty }..0}^{j=1..+\mathrm{\infty }}\frac{-e}{r_{\text{“}j\text{”},\text{“}{0}^{\prime }\text{”}}}]$», chaque somme pouvant être simplifiée en tenant compte de la symétrie du réseau selon $\left\{\begin{array}{ccccc}\sum _{i^{\prime }=-\mathrm{\infty }..-1}^{i^{\prime }=1..+\mathrm{\infty }}\frac{+e}{r_{\text{“}{i}^{\prime }\text{”},\text{“}{0}^{\prime }\text{”}}}& =& 2\left(\sum _{i^{\prime }=1..+\mathrm{\infty }}\frac{+e}{r_{\text{“}{i}^{\prime }\text{”},\text{“}{0}^{\prime }\text{”}}}\right)& =& \sum _{i^{\prime }=1..+\mathrm{\infty }}\frac{+2e}{2i^{\prime }𝔞}\\ \sum _{j=-\mathrm{\infty }..0}^{j=1..+\mathrm{\infty }}\frac{-e}{r_{\text{“}j\text{”},\text{“}{0}^{\prime }\text{”}}}& =& 2\left(\sum _{j=1..+\mathrm{\infty }}\frac{-e}{r_{\text{“}j\text{”},\text{“}{0}^{\prime }\text{”}}}\right)& =& \sum _{j=1..+\mathrm{\infty }}\frac{-2e}{(2j-1)𝔞}\end{array}\right\}$, la somme des deux sommes se réécrivant «$\sum _{i^{\prime }=-\mathrm{\infty }..-1}^{i^{\prime }=1..+\mathrm{\infty }}\frac{+e}{r_{\text{“}{i}^{\prime }\text{”},\text{“}{0}^{\prime }\text{”}}}+\sum _{j=-\mathrm{\infty }..0}^{j=1..+\mathrm{\infty }}\frac{-e}{r_{\text{“}j\text{”},\text{“}{0}^{\prime }\text{”}}}=\frac{2e}{𝔞}\left[\sum _{n=1..+\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^n}{n}\right]$» $\Rightarrow$ «${ℰ}_{\text{pot. élect.},N{a}^{+}=\text{“}{0}^{\prime }\text{”}\text{lin.}}\simeq \frac{e^2}{4\pi {\epsilon }_0𝔞}\left[\sum _{n=1..+\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^n}{n}\right]=\frac{-e^2}{4\pi {\epsilon }_0𝔞}\left[\sum _{n=1..+\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^{(n-1)}}{n}\right]$» ;

Modèle:AlModèle:Transparentfinalement nous en déduisons l'énergie potentielle d'interaction électrostatique d'une maille du modèle linéaire du chlorure de sodium supposé d'expansion infinie «${ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{lin.}}={ℰ}_{\text{pot. élect.},C{l}^{-}=\text{“}0\text{”}\text{lin.}}+{ℰ}_{\text{pot. élect.},N{a}^{+}=\text{“}{0}^{\prime }\text{”}\text{lin.}}\simeq \frac{-2e^2}{4\pi {\epsilon }_0𝔞}\left[\sum _{n=1..+\mathrm{\infty }}\frac{(-1{)}^{(n-1)}}{n}\right]$» $[$la série de terme général «$u_n=\frac{(-1{)}^{(n-1)}}{n}$» et de Modèle:1er terme «$u_1=+1$» définit une « série harmonique alternée », la somme «$S_n=\sum _{k=1}^{k=n}{u}_k=\sum _{k=1}^{k=n}\frac{(-1{)}^{(k-1)}}{k}$ est convergente de limite égale à $\ln (2)$» $($voir la démonstration ci-dessous$\left)\right]$. Modèle:Démonstration déroulante

Modèle:AlModèle:TransparentEn conclusion l'énergie potentielle d'interaction électrostatique d'une maille du modèle linéaire du chlorure de sodium d'expansion infinie s'exprime selon

«${ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{lin.}}\simeq \frac{-2e^2}{4\pi {\epsilon }_0𝔞}\ln (2)$», $($le signe «$-$» traduisant le fait que
l’interaction est « globalement attractive » par influence prépondérante des ions voisins$)$.

Modèle:AlModèle:TransparentL'énergie potentielle d'interaction électrostatique d'une maille du cristal ionique de chlorure de sodium dans sa modélisation linéaire d'expansion infinie peut s'écrire «${ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{lin.}}\simeq M\frac{-e^2}{4\pi {\epsilon }_0𝔞}$» avec «$M$ constante de Madelung » valant, dans le cadre de la modélisation linéaire d'expansion infinie de $NaCl$, «$M=2\ln (2)\simeq 1,386$».

Modèle:AlModélisation linéaire du cristal ionique de «$NaCl$», A.N. : Avec les valeurs «$e\simeq 1,6010^{-19}C$», «$\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\simeq 9,010^{9}U.S.I.$», «$𝔞=2,81\text{Å}$» et «$1eV\simeq 1,6010^{-19}J$», on trouve «${ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{lin.}}\simeq \frac{-2\times {(1,6010^{-19})}^2\times 910^9}{2,8110^{-10}}\times \ln (2)$ en $J$» ou «${ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{lin.}}\simeq \frac{-2\times 1,6010^{-19}\times 910^9}{2,8110^{-10}}\times \ln (2)$ en $eV$» soit «${ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{lin.}}\simeq -7,10eV$» ;

Modèle:AlModèle:Transparenton en déduit l'énergie potentielle molaire d'interaction électrostatique du modèle linéaire du cristal ionique de chlorure de sodium en multipliant le résultat précédent par la constante d'Avogadro «$𝒩\simeq 6,0210^{23}mo{l}^{-1}$» $\Rightarrow$ «${ℰ}_{\text{pot. élect. mol.},NaCl\text{lin.}}=𝒩{ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{lin.}}\simeq 6,0210^{23}\times (-7,10)\times 1,6010^{-19}$ en $J\cdot mo{l}^{-1}$» soit Modèle:Nobr $\simeq -684kJ\cdot mo{l}^{-1}$».

Modèle:Al$▸$ Énergie potentielle d'interaction électrostatique d'une paire d'ions du cristal ionique de chlorure de sodium à structure cubique d'expansion infinie

Modèle:AlExtension à la structure cubique du cristal ionique de «$NaCl$» : On admet que l'énergie potentielle d'interaction électrostatique d'une paire d'ions du cristal ionique de chlorure de sodium à structure cubique d'expansion infinie peut s'écrire «${ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{cub.}}\simeq M\frac{-e^2}{4\pi {\epsilon }_0𝔞}$» avec «$M$ constante de Madelung » valant théoriquement $($résultat admis$)$ «$M\simeq 1,748$» ;

Modèle:AlModèle:Transparentnumériquement on obtient ${ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{cub.}}\simeq \frac{1,748}{1,386}\times (-7,10eV)$ soit Modèle:Nobr $\simeq -8,95eV$» ;

Modèle:AlModèle:Transparenton en déduit l'énergie potentielle molaire d'interaction électrostatique du cristal ionique de chlorure de sodium à structure cubique en multipliant le résultat précédent par la constante d'Avogadro «$𝒩\simeq 6,0210^{23}mo{l}^{-1}$» $\Rightarrow$ «${ℰ}_{\text{pot. élect. mol.},NaCl\text{cub.}}=𝒩{ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{cub.}}\simeq 6,0210^{23}\times (-8,95)\times 1,6010^{-19}$ en $J\cdot mo{l}^{-1}$» soit Modèle:Nobr $\simeq -862kJ\cdot mo{l}^{-1}$».

Modèle:Al$▸$ Nécessité d'une autre interaction entre ions du cristal ionique de chlorure de sodium (à modélisation linéaire ou à structure cubique) pour expliquer l'équilibre stable d'une maille

Modèle:AlRemarque : L'interaction électrostatique entre ions du cristal de $NaCl$ étant « globalement attractive » par prédominance de l'influence des ions les plus proches d'un ion quelconque étudié et ceci quelle que soit la distance $𝔞$ séparant ce dernier de ses plus proches voisins, on devrait observer un effondrement du cristal vers un équilibre correspondant à $𝔞=0$,
Modèle:AlModèle:Transparentcomme ce n'est évidemment pas le cas, il y a nécessairement une autre interaction « globalement répulsive » dont l'influence devient prédominante aux faibles valeurs de $𝔞$, il s'agit de la répulsion entre nuages électroniques de deux ions voisins quand la distance $𝔞$ les séparant devient si faible que ces nuages s'interpénètrent.

Modèle:AlModification tenant compte de l'interaction entre nuages électroniques d'ions voisins : ainsi l'énergie potentielle d'interaction électrostatique globale d'une paire d'ions du cristal ionique de $NaCl$ $($à modélisation linéaire ou à structure cubique$)$ «${ℰ}_{\text{pot. élect. globale},NaCl}$» est-elle la somme de deux termes,

• l'un « globalement attractif » «${ℰ}_{\text{pot. élect. entre ions},NaCl}=M\frac{-e^2}{4\pi {\epsilon }_0𝔞}$» avec «$M$ constante de Madelung » et
• l'autre « globalement répulsif » «${ℰ}_{\text{pot. élect. entre nuages},NaCl}$ choisi sous la forme «$\frac{A}{{𝔞}^n}$ avec $A>0$ et $n>1$» $[A>0$ assurant le caractère répulsif de l'interaction et $n>1$ que l'énergie associée devienne $>$, aux faibles valeurs de $𝔞$, à la valeur absolue de l'autre énergie variant en $\frac{1}{𝔞}$ $\Rightarrow$ une énergie globale $>0$ correspondant à un caractère globalement répulsif aux faibles valeurs de $𝔞]$,

Modèle:AlModèle:Transparentsoit, en notant $r$ la distance séparant deux ions voisins, «${ℰ}_{\text{pot. élect. globale},NaCl}(r)=M\frac{-e^2}{4\pi {\epsilon }_{0}r}+\frac{A}{r^n}$» expression devant être minimale pour la position d'équilibre stable de la mailleModèle:, ce qui permet de déterminer les valeurs possibles de $A$ et de $n$ en fonction de $M$ et de $𝔞$ ;

Modèle:AlModèle:Transparenton écrit donc «$\frac{d{ℰ}_{\text{pot. élect. globale},NaCl}}{dr}(𝔞)=0$» avec $\frac{d{ℰ}_{\text{pot. élect. globale},NaCl}}{dr}(r)=-M\frac{-e^2}{4\pi {\epsilon }_0{r}^2}-n\frac{A}{r^{(n+1)}}$ $=-\frac{1}{r}(M\frac{-e^2}{4\pi {\epsilon }_{0}r}+n\frac{A}{r^n})$ d'où «$\frac{A}{{𝔞}^n}=\frac{M}{n}\frac{e^2}{4\pi {\epsilon }_0𝔞}$» $[$on vérifierait que le lien de stationnarité de ${ℰ}_{\text{pot. élect. globale},NaCl}(r)$ pour $r=𝔞$ correspond effectivement à un minimum$]$ d'où

Modèle:AlModèle:Transparentl'énergie potentielle d'interaction électrostatique globale d'une maille du cristal de

$NaCl$

à l'équilibre s'écrit

«${ℰ}_{\text{pot. élect. globale},NaCl}=M\frac{-e^2}{4\pi {\epsilon }_0𝔞}+\frac{A}{{𝔞}^n}=M\frac{-e^2}{4\pi {\epsilon }_0𝔞}(1-\frac{1}{n})$»
$(n$ restant à adapter aux résultats expérimentaux$)$.

Modèle:AlModèle:TransparentL'énergie potentielle molaire d'interaction électrostatique du cristal ionique de $NaCl$ à structure cubique ayant été évaluée $($par calcul$)$ à «${ℰ}_{\text{pot. élect. mol.},NaCl\text{cub.}}=𝒩{ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{cub.}}=𝒩M\frac{-e^2}{4\pi {\epsilon }_0𝔞}\simeq -862kJ\cdot mo{l}^{-1}$»,
Modèle:AlModèle:Transparentcelle d'interaction électrostatique globale du même cristal ionique de $NaCl$ à structure cubique ayant été mesurée à «${ℰ}_{\text{pot. élect. globale mol.},NaCl\text{cub.}}=𝒩{ℰ}_{\text{pot. élect.},NaCl\text{cub.}}\simeq -757kJ\cdot mo{l}^{-1}$» et étant égale à «${ℰ}_{\text{pot. élect. globale mol.},NaCl\text{cub.}}=𝒩M\frac{-e^2}{4\pi {\epsilon }_0𝔞}(1-\frac{1}{n})$» nous en déduisons
Modèle:AlModèle:Transparent«$1-\frac{1}{n}=\frac{{ℰ}_{\text{pot. élect. globale mol.},NaCl\text{cub.}}}{{ℰ}_{\text{pot. élect. mol.},NaCl\text{cub.}}}$» $\Rightarrow$ $\frac{1}{n}=\frac{{ℰ}_{\text{pot. élect. mol.},NaCl\text{cub.}}-{ℰ}_{\text{pot. élect. globale mol.},NaCl\text{cub.}}}{{ℰ}_{\text{pot. élect. mol.},NaCl\text{cub.}}}$ soit «$n=\frac{{ℰ}_{\text{pot. élect. mol.},NaCl\text{cub.}}}{{ℰ}_{\text{pot. élect. mol.},NaCl\text{cub.}}-{ℰ}_{\text{pot. élect. globale mol.},NaCl\text{cub.}}}\simeq \frac{-862}{-862-(-757)}\simeq 8,2$» que l'on arrondit à «$n=8$» $($valeur qui est vérifiée par l'étude de la compressibilité des cristaux de $NaCl)$ ;

Modèle:AlModèle:Transparenten conclusion, la force d'interaction électrostatique entre nuages électroniques d'ions voisins « dérivant » de l'énergie potentielle «${ℰ}_{\text{pot. élect. entre nuages},NaCl}=\frac{A}{r^8}$» est d'intensité «${\bar{F}}_{\text{inter. élect. entre nuages},NaCl}(r)=-\frac{d{ℰ}_{\text{pot. élect. entre nuages},NaCl}}{dr}=8\frac{A}{r^9}>0$ donc effectivement répulsive ».

Modèle:AlÉnergie réticulaire du cristal ionique de

$NaCl($

à structure cubique

$)$

 : On appelle « énergie réticulaire du cristal ionique de

$NaCl($

à structure cubique

$)$

», l’énergie minimale à fournir au cristal ionique, par mole de

$NaCl$

solide, pour que les ions

$C{l}^{-}$

et

$N{a}^{+}$

se retrouvent tous à l'infini les uns des autres sous phase gazeuse ; elle vaut donc

«${ℰ}_{\text{réticulaire},NaCl}=0-{ℰ}_{\text{pot. élect. globale mol.},NaCl\text{cub.}}$» soit «${ℰ}_{\text{réticulaire},NaCl}\simeq +757kJ\cdot mo{l}^{-1}$».

Théorèmes de la dynamique newtonienne des systèmes discrets fermés de points matériels applicables en référentiel galiléen

Modèle:AlComme dans la partie « cinétique » d'un système discret de points matériels, ce dernier est envisagé sous la forme «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$», de plus, pour que les théorèmes de la dynamique newtonienne soient applicables au système sous les formes énoncées, le contenu de ce dernier doit rester inchangé $($aucune entrée ou sortie de points matériels dans le Modèle:Nobr le système doit donc être « fermé ».

Modèle:AlDans ce paragraphe, le référentiel d'étude de la dynamique newtonienne du système est exclusivement « galiléen ».

Théorème de la résultante cinétique et celui du mouvement du centre d'inertie (ou simplement du centre d'inertie)

Théorème de la résultante cinétique

Modèle:AlVoir aussi le paragraphe « théorème de la résultante cinétique d'un système fermé de points matériels » du chap.$9$ de la leçon « Mécanique 1 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI ».

Modèle:Théorème Modèle:AlCommentaires : ce théorème peut s'appliquer sous cette forme, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système fermé $($déformable ou non$)$ de points matériels mais $\dots$
Modèle:AlModèle:Transparentil n'est pas applicable, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système ouvert de points matériels défini à l'instant $t$ comme le contenu intérieur à la surface de contrôle $(\mathrm{\Sigma })$Modèle:,.

Modèle:AlDémonstration : Le référentiel d'étude étant galiléen, on peut appliquer, à chaque point matériel

$M_i$

du système discret fermé de points matériels

$\left(𝒮\right)$

, la r.f.d. soit

«${\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}+\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{F}_{M_i\leftarrow M_j}=\frac{d{\overrightarrow{p}}_{M_i}}{dt}(t)$» et

Modèle:AlModèle:Transparentfaire la somme de ces $N$ relations ce qui donne $\sum _{i=1..N}[{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}+\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{F}_{M_i\leftarrow M_j}]=\sum _{i=1..N}\frac{d{\overrightarrow{p}}_{M_i}}{dt}(t)$ ou $\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow \left(\text{ext de }𝒮\right)}+\sum _{i=1..N}\left(\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{F}_{M_i\leftarrow M_j}\right)=\frac{d\left(\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{p}}_{M_i}\right)}{dt}(t)$,

• le Modèle:1er terme du Modèle:1er membre étant la résultante dynamique ${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)$ s'exerçant sur le système discret fermé de points matériels,
• le 2^ème terme du Modèle:1er membre, la résultante des forces intérieures ${\overrightarrow{F}}_{\text{int}}$ exercées sur tout le système, résultante nulle en toute circonstance soit ${\overrightarrow{F}}_{\text{int}}=\overrightarrow{0}$ et
• le 2^nd membre, la dérivée temporelle de la résultante cinétique ${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$ du système discret fermé de points matériels soit $\frac{d{\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}}{dt}(t)$ d'où

pour un système discret fermé de points matériels dans un référentiel galiléen,
${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)+\overrightarrow{0}=\frac{d{\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}}{dt}(t)$ ou ${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)=\frac{d{\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}}{dt}(t)$ (C.Q.F.D.),
applicable sous cette forme en dynamique newtonienne ou relativiste.

Modèle:AlRemarque : On peut vérifier l'inapplicabilité de ce théorème à un système discret « ouvert » de points matériels dans le paragraphe « en complément, inapplicabilité du théorème de la résultante cinétique à un système ouvert de points matériels » du chap.$9$ de la leçon « Mécanique 1 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI » et
Modèle:AlModèle:Transparentavoir un aperçu des « modifications » à lui apporter pour le rendre applicable.

Théorème du mouvement du centre d'inertie (ou simplement du centre d'inertie)

Modèle:AlVoir aussi le paragraphe « théorème du mouvement du centre d'inertie d'un système fermé de points matériels » du chap.$9$ de la leçon « Mécanique 1 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI ».

Modèle:Théorème Modèle:AlCommentaires : ce théorème s'applique exclusivement, en dynamique newtonienne, à un système fermé $($déformable ou non$)$ de points matériels $\dots$
Modèle:AlModèle:Transparentil n'est pas applicable, en dynamique newtonienne, à un système ouvert de points matériels défini à l'instant $t$ comme le contenu intérieur à la surface de contrôle $(\mathrm{\Sigma })$ car, le théorème de la résultante cinétique dont il découle ${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)=\frac{d{\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}}{dt}(t)$ ne s'applique pas à un système ouvert $\dots$

Modèle:AlDémonstration : Cela découle de l'application, dans le référentiel galiléen $ℛ$, du théorème de la résultante cinétique au système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$ soumis, à l'instant $t$, à la résultante dynamique ${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)$ soit ${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)=\frac{d{\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}}{dt}(t)$ dans laquelle ${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$ est la résultante cinétique du système au même instant $t$ et,
Modèle:AlModèle:Transparentde la propriété liant, dans le cadre de la cinétique newtonienne, la résultante cinétique ${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)$, la masse $($inerte$)$ $m_{\text{syst}}$ et le vecteur vitesse ${\overrightarrow{V}}_{G_{\text{syst}}}(t)$ du C.D.I. du système à savoir ${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)=m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_{G_{\text{syst}}}(t)$ dont on déduit,
Modèle:AlModèle:Transparent$\frac{d{\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}}{dt}(t)=m_{\text{syst}}{\overrightarrow{a}}_{G_{\text{syst}}}(t)$, la masse de tout système fermé étant constante, soit,
Modèle:AlModèle:Transparentpar report dans l'expression du théorème de la résultante cinétique, ${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)=m_{\text{syst}}{\overrightarrow{a}}_{G_{\text{syst}}}(t)$ (C.Q.F.D.).

Théorèmes de l'inertie

Modèle:AlPréliminaire : Les théorèmes de l'inertie appliqués à un système discret fermé de points matériels sont des cas particuliers des deux théorèmes précédents, il ne serait donc pas nécessaire de les faire apparaître dans l'exposé si ce n'est pour satisfaire une présentation historique $\dots$

Modèle:Théorème Modèle:AlDémonstration : Le principe fondamental de la dynamique appliqué à un point matériel $M_i$ quelconque de $\left(𝒮\right)$ postule l'existence d'au moins un référentiel dans lequel, par absence de forces extérieures appliquées à $\left(𝒮\right)$ $[$le système étant isolé$]$ «$\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow M_j}=\frac{d{\overrightarrow{p}}_{M_i}}{dt}(t)$» d'où, en faisant la somme sur toutes les relations écrites pour chaque point et en utilisant la conséquence du principe des actions réciproques que l'on suppose applicable dans le référentiel considéré à savoir ${\overrightarrow{F}}_{\text{int}}=\overrightarrow{0}$ ainsi que la définition de la résultante cinétique ${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}=\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{p}}_{M_i}$, on établit $\overrightarrow{0}=\frac{d{\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}}{dt}(t)$ soit, après intégration relativement au temps, le théorème énoncé.

Modèle:Théorème Modèle:AlDémonstration : Appliquant le théorème de l'inertie au système discret fermé isolé $\left(𝒮\right)$ on en déduit l'existence d'un référentiel d'espace-temps $ℛ$ dans lequel la résultante cinétique ${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}$ de $\left(𝒮\right)$ est conservée au cours du temps puis, comme ${\overrightarrow{P}}_{\text{syst}}(t)=m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G(t)$ avec $m_{\text{syst}}=cste$ pour un système fermé, on en déduit la conservation du vecteur vitesse du C.D.I. $G$ du système et par suite un mouvement rectiligne uniforme de $G$.

Conséquences

Modèle:AlConséquence du théorème de la résultante cinétique : Si le système discret fermé de points matériels

$\left(𝒮\right)$

est « pseudo isolé » c'est-à-dire si la résultante dynamique appliquée au système est telle que

${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}=\overrightarrow{0}$

, l'application du théorème de la résultante cinétique au système fermé dans un référentiel galiléen implique, après intégration par rapport au temps

$t$

,

« la conservation de la résultante cinétique du système » soit ${\overrightarrow{P}}_{\text{syst fermé}}(t)=\overrightarrow{\text{cste}}\mathrm{\forall }t$ ;
cette conclusion est applicable en dynamique newtonienne ou relativiste.

Modèle:AlConséquence du théorème du mouvement du centre d'inertie : Si le système discret fermé de points matériels

$\left(𝒮\right)$

est « pseudo isolé » c'est-à-dire si la résultante dynamique appliquée au système est telle que

${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}=\overrightarrow{0}$

, l'application du théorème du mouvement du C.D.I. au système fermé dans un référentiel galiléen implique, après intégration par rapport au temps

$t$

,

« la conservation du vecteur vitesse du C.D.I. du système » soit ${\overrightarrow{V}}_{G_{\text{syst}}}(t)=\overrightarrow{\text{cste}}\mathrm{\forall }t$ ;
cette conclusion n'étant, a priori, applicable qu'en dynamique newtonienne.

Théorème du moment cinétique vectoriel

Modèle:AlVoir aussi le paragraphe « théorème du moment cinétique vectoriel appliqué à un système discret de points matériels » du chap.$5$ de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI ».

Énoncé

Modèle:Théorème Modèle:AlDémonstration : Considérant le système discret fermé de points matériels «$\left(𝒮\right)$» étudié dans le référentiel $ℛ$ galiléen et un point $O$ fixe dans $ℛ$ par rapport auquel on détermine les moments vectoriels,

Modèle:AlModèle:Transparentle théorème du moment cinétique vectoriel appliqué à chaque point matériel $M_i$ dans le référentiel $ℛ$ galiléen, moments évalués relativement au point $O$ fixe dans $ℛ$, s'écrivant «${\overrightarrow{ℳ}}_O\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de}𝒮\right)}\right](t)+\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\overrightarrow{ℳ}}_O\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right](t)=\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_O(M_i)}{dt}(t)$»,

Modèle:AlModèle:Transparenton fait la somme de ces $N$ relations $\Rightarrow$ «$\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{ℳ}}_O\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de}𝒮\right)}\right](t)+\sum _{i=1..N}\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\overrightarrow{ℳ}}_O\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right](t)\}=\sum _{i=1..N}\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_O(M_i)}{dt}(t)$» et on reconnaît dans

• « le Modèle:1er terme du Modèle:1er membre » le vecteur moment résultant dynamique appliqué au système discret fermé de points matériels évalué au point origine $O$ à l'instant $t$ «${\overrightarrow{ℳ}}_{O,\text{ext}}(t)$»,
• « le 2^ème terme du Modèle:1er membre » le vecteur moment résultant des forces intérieures appliquées au système discret fermé de points matériels évalué au même point $O$ à l'instant $t$ «${\overrightarrow{ℳ}}_{O,\text{int}}(t)=\overrightarrow{0}$» et
• « le 2^ème membre » encore égal, par « permutation de la somme discrète et de la dérivation temporelle », à «$\frac{d[\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{\sigma }}_O(M_i)]}{dt}(t)$» c'est-à-dire la dérivée temporelle du vecteur moment cinétique du système discret fermé de points matériels par rapport au même point $O$ au même instant $t$.

Modèle:AlCommentaires : ce théorème peut s'appliquer sous cette forme, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système fermé $($déformable ou non$)$ de points matériels mais $\dots$
Modèle:AlModèle:Transparentil n'est pas applicable, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système ouvert de points matériels défini à l'instant $t$ comme le contenu intérieur à la surface de contrôle $(\mathrm{\Sigma })$Modèle:,.

Conséquence

Modèle:AlVoir aussi le paragraphe « condition de conservation du moment cinétique vectoriel d'un système fermé de matière par rapport à un point O fixe dans le référentiel d'étude galiléen » du chap.$5$ de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI ».

Modèle:AlIl y a conservation du moment cinétique vectoriel d'un système discret fermé de points matériels par rapport à un point $O$ fixe dans le référentiel d'étude $ℛ$ galiléen à savoir «${\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst},t)=\overrightarrow{\text{cste}},\mathrm{\forall }t$» si le vecteur moment résultant dynamique en $O$ appliqué au système est nul à tout instant $t$ c'est-à-dire si Modèle:Nobr, cette propriété résultant de l'application du théorème du moment cinétique vectoriel au système discret fermé de points matériels en un point $O$ fixe dans un référentiel $ℛ$ galiléen soit «${\overrightarrow{ℳ}}_{O,\text{ext}}(\text{syst},t)=\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_O\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)$» dans lequel la nullité du Modèle:1er membre conduit à celle du 2^ème membre c'est-à-dire à «$\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_O\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)=\overrightarrow{0},\mathrm{\forall }t$» d'où, après intégration par rapport au temps, «${\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst},t)=\overrightarrow{\text{cste}},\mathrm{\forall }t$» ;

Modèle:Alle vecteur moment résultant dynamique appliqué au système fermé de matière par rapport au point

$O$

fixe dans

$ℛ$

galiléen peut être nul par

« absence de forces extérieures » c'est-à-dire si le système fermé de matière est isolé,
« des forces extérieures toutes centrales par rapport au point fixe $O$» ou
« des forces extérieures dont les vecteurs moments par rapport au point fixe $O$ se compensent ».

Prolongement du théorème du moment cinétique vectoriel en un point A mobile dans le référentiel d'étude

Modèle:AlLe prolongement du théorème du moment cinétique vectoriel appliqué à un système discret fermé de points matériels en un point origine $A$ mobile dans le référentiel d'étude $ℛ$ galiléen n'est pas à mémoriser quand le point origine $A$ a un mouvement quelconque relativement au système dans $ℛ$ car d'utilisation trop restreinte mais il faut savoir le retrouver si besoin est ;

Modèle:Altoutefois son cas particulier où le point origine d'évaluation des moments vectoriels est le C.D.I. $G$ du système est utilisé plus fréquemment et par suite est à retenir.

Théorème

Modèle:Théorème Modèle:AlCommentaires : ce prolongement de théorème peut s'appliquer sous cette forme, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système fermé $($déformable ou non$)$ de points matériels.

Modèle:AlModèle:TransparentEn cinétique newtonienne la résultante cinétique d'un système discret fermé de points matériels $\overrightarrow{P}(\text{syst},t)$ est lié à la vitesse du C.D.I. $G$ du système ${\overrightarrow{V}}_G(t)$ et à la masse de ce dernier $m_{\text{syst}}$ par $\overrightarrow{P}(\text{syst},t)=m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G(t)$ $[$voir le paragraphe « résultante cinétique du système discret de points matériels (propriété de la résultante cinétique d'un système discret fermé) » plus haut dans ce chapitre$]$, l'expression mathématique du prolongement du théorème se réécrivant selon «${\overrightarrow{ℳ}}_{A,\text{ext}}(t)=\frac{d\overrightarrow{{\sigma }_A}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)+m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_A(t)\wedge {\overrightarrow{V}}_G(t)$» ;
Modèle:AlModèle:Transparentpar contre, en cinétique relativiste, il n'y a pas de lien simple entre la résultante cinétique ${\overrightarrow{P}}_{\text{relativ}}(\text{syst},t)$ d'un système discret fermé de points matériels et le mouvement du C.D.I. $G$ du système d'où aucune autre réécriture du prolongement de ce théorème en dynamique relativiste.

Démonstration

Modèle:AlVoir aussi le paragraphe « adaptation du théorème du moment cinétique vectoriel appliqué à un système discret fermé de points matériels relativement à un point mobile A quelconque dans le référentiel d'étude galiléen » du chap.$5$ de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI ».

Modèle:AlConsidérant le système discret fermé de points matériels «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» étudié dans le référentiel $ℛ$ galiléen et un point $A$ mobile dans $ℛ$ par rapport auquel on détermine les moments vectoriels ;

Modèle:Alexprimons d'abord la forme du théorème du moment cinétique vectoriel appliqué à un point matériel

$M_i$

dans le référentiel

$ℛ$

galiléen, moments évalués relativement au point

$A$

mobile dans

$ℛ$

, en écrivant ce théorème relativement à un point origine

$O$

fixe dans

$ℛ$

soit «

${\overrightarrow{ℳ}}_O\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de}𝒮\right)}\right](t)+\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\overrightarrow{ℳ}}_O\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right](t)=\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_O(M_i)}{dt}(t),\left(𝔞\right)$

» puis on effectue le changement d'origine selon «

$\left\{\begin{array}{ccccc}{\overrightarrow{ℳ}}_O\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de}𝒮\right)}\right]& =& {\overrightarrow{ℳ}}_A\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de}𝒮\right)}\right]& +& \overrightarrow{OA}(t)\wedge {\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de}𝒮\right)}\\ {\overrightarrow{ℳ}}_O\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right]& =& {\overrightarrow{ℳ}}_A\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right]& +& \overrightarrow{OA}(t)\wedge {\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\\ {\overrightarrow{\sigma }}_O(M_i)& =& {\overrightarrow{\sigma }}_A(M_i)& +& \overrightarrow{OA}(t)\wedge {\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)\end{array}\right\}$

» que l'on reporte dans la relation

$\left(𝔞\right)$

après dérivation de la dernière expression selon «

$\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_O(M_i)}{dt}(t)=$ $\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_A(M_i)}{dt}(t)+{\overrightarrow{V}}_A(t)\wedge {\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)+\overrightarrow{OA}(t)\wedge \frac{d{\overrightarrow{p}}_{M_i}}{dt}(t)$

», ce qui donne, après factorisation vectorielle partielle à gauche par

$\overrightarrow{OA}(t)$

dans le 2^ème terme

«$\{{\overrightarrow{ℳ}}_A\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de}𝒮\right)}\right]+\overrightarrow{OA}(t)\wedge {\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de}𝒮\right)}\}+\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\overrightarrow{ℳ}}_A\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right]+\overrightarrow{OA}(t)\wedge \left[\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right]\}=\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_A(M_i)}{dt}(t)+{\overrightarrow{V}}_A(t)\wedge {\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)+\overrightarrow{OA}(t)\wedge \frac{d{\overrightarrow{p}}_{M_i}}{dt}(t),\left({𝔞}^{\prime }\right)$»,

Modèle:Alou encore, en appliquant la r.f.d.n. à $M_i$ $\Rightarrow$ ${\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de}𝒮\right)}+\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}=\frac{d{\overrightarrow{p}}_{M_i}}{dt}(t)$ $\Rightarrow$ «$\overrightarrow{OA}(t)\wedge {\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de}𝒮\right)}+\overrightarrow{OA}(t)\wedge \left[\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right]=\overrightarrow{OA}(t)\wedge \frac{d{\overrightarrow{p}}_{M_i}}{dt}(t)$» d'où la réécriture de la relation $\left({𝔞}^{\prime }\right)$ «${\overrightarrow{ℳ}}_A\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de}𝒮\right)}\right]+\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\overrightarrow{ℳ}}_A\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right]=\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_A(M_i)}{dt}(t)+{\overrightarrow{V}}_A(t)\wedge {\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)$»

Modèle:Alsoit, enfin en ajoutant les $N$ relations, «$\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{ℳ}}_A\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left(\text{ext de}𝒮\right)}\right](t)+\sum _{i=1..N}\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}{\overrightarrow{ℳ}}_A\left[{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow j}\right](t)\}=\sum _{i=1..N}\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_A(M_i)}{dt}(t)+\sum _{i=1..N}[{\overrightarrow{V}}_A(t)\wedge {\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)]$» et on reconnaît dans

• « le Modèle:1er terme du Modèle:1er membre » le vecteur moment résultant dynamique appliqué au système discret fermé de points matériels évalué au point origine $A$ à l'instant $t$ «${\overrightarrow{ℳ}}_{A,\text{ext}}(t)$»,
• « le 2^ème terme du Modèle:1er membre » le vecteur moment résultant des forces intérieures appliquées au système discret fermé de points matériels évalué au même point $A$ à l'instant $t$ «${\overrightarrow{ℳ}}_{A,\text{int}}(t)=\overrightarrow{0}$»,
• « le Modèle:1er terme du 2^ème membre » égal, après « permutation de la somme discrète et de la dérivation temporelle », à «$\frac{d[\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{\sigma }}_A(M_i)]}{dt}(t)$» Modèle:Nobr à la dérivée temporelle du vecteur moment cinétique du système discret fermé de points matériels par rapport au même point $A$ au même instant $t$ et enfin
• « le 2^ème terme du 2^ème membre » dans lequel on effectue une factorisation vectorielle à gauche par ${\overrightarrow{V}}_A(t)$ $\Rightarrow$ «${\overrightarrow{V}}_A(t)\wedge [\sum _{i=1..N}{\overrightarrow{p}}_{M_i}(t)]$» reconnaissant dans le 2^ème facteur du produit vectoriel le vecteur résultante cinétique du système de points matériels «$\overrightarrow{P}(\text{syst},t)$» d'où la réécriture de ce terme selon «${\overrightarrow{V}}_A(t)\wedge \overrightarrow{P}(\text{syst},t)$» ;

Modèle:Alfinalement le théorème du moment cinétique vectoriel appliqué à un système discret fermé de points matériels dans le référentiel $ℛ$ galiléen, moments évalués relativement à un point $A$ mobile dans $ℛ$, prend la forme «${\overrightarrow{ℳ}}_{A,\text{ext}}(t)=\frac{d\overrightarrow{{\sigma }_A}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)+{\overrightarrow{V}}_A(t)\wedge \overrightarrow{P}(\text{syst},t)$» d'où l'énoncé $($qui n'est pas à retenir mais à retrouver si besoin est$)$.

Théorème du moment cinétique vectoriel en G (centre d'inertie du système discret fermé de points matériels) dans le référentiel d'étude

Modèle:AlC'est un cas particulier du prolongement du théorème du moment cinétique vectoriel appliqué à un système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$ dans le cas où le point origine d'évaluation des moments vectoriels est mobile dans le référentiel d'étude $ℛ$ galiléen car le C.D.I. $G$ du système $\left(𝒮\right)$ est mobile $ℛ$ $[$le seul cas où $G$ y serait fixe est «$\left(𝒮\right)$ isolé ou pseudo-isolé sans vitesse initiale »$]$ :

Modèle:Alle prolongement du théorème dans lequel on utilise «$\overrightarrow{P}(\text{syst},t)=m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G(t)$» $[$voir le paragraphe « résultante cinétique du système discret de points matériels (propriété de la résultante cinétique d'un système discret fermé) » plus haut dans ce chapitre$]$, conduit donc à «${\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(t)=\frac{d\overrightarrow{{\sigma }_G}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)\cancel{+{\overrightarrow{V}}_G(t)\wedge [m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G(t)]}$» d'où l'énoncé :

Modèle:Théorème Modèle:AlRemarque : Même si le point origine d'évaluation des moments vectoriels est le C.D.I. $G$ du système $\left(𝒮\right)$, le théorème est appliqué dans le référentiel d'étude $ℛ$ galiléen $[$et non dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$, lequel est en général non galiléen$]$.

Théorème du moment cinétique scalaire

Modèle:AlVoir aussi le paragraphe « théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un système discret de points matériels » du chap.$5$ de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI ».

Énoncé

Modèle:Théorème Modèle:AlDémonstration : Considérant le système discret fermé de points matériels «$\left(𝒮\right)$» étudié dans le référentiel $ℛ$ galiléen et un axe $\mathrm{\Delta }$ fixe dans $ℛ$ par rapport auquel on détermine les moments scalaires, l'axe $\mathrm{\Delta }$ étant orienté par le vecteur unitaire ${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$,

Modèle:AlModèle:Transparentle théorème du moment cinétique vectoriel appliqué au système $\left(𝒮\right)$ dans le référentiel $ℛ$ galiléen, moments évalués relativement à un point $O$ quelconque, fixe sur $\mathrm{\Delta }$ dans $ℛ$, s'écrivant «${\overrightarrow{ℳ}}_{O,\text{ext}}(t)=\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst})}{dt}(t)$»,

Modèle:AlModèle:Transparenton multiplie scalairement chaque membre par ${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$ $\Rightarrow$ «${\overrightarrow{ℳ}}_{O,\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}=\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst})}{dt}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$» et on reconnaît

• dans « le Modèle:1er membre » le moment résultant dynamique scalaire appliqué au système discret fermé de points matériels évalué par rapport à l'axe $\mathrm{\Delta }$ à l'instant $t$ «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)$» et
• dans « le 2^ème membre » se transformant en «$\frac{d[{\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst})\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}]}{dt}(t)$» compte-tenu de la constance de ${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$, la dérivée temporelle du moment cinétique scalaire du système discret fermé de points matériels par rapport au même axe $\mathrm{\Delta }$ au même instant $t$, «$\frac{d{\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})}{dt}(t)$».

Modèle:AlCommentaires : ce théorème peut s'appliquer sous cette forme, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système fermé $($déformable ou non$)$ de points matériels mais $\dots$
Modèle:AlModèle:Transparentil n'est pas applicable, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système ouvert de points matériels défini à l'instant $t$ comme le contenu intérieur à la surface de contrôle $(\mathrm{\Sigma })$Modèle:,.

Cas d'un solide en rotation autour d'un axe (Δ) fixe dans le référentiel d'étude

Modèle:AlVoir aussi le paragraphe « application du théorème du moment cinétique scalaire au cas d'un système fermé de matière en rotation autour d'un axe Δ fixe quelconque dans un référentiel d'étude galiléen » du chap.$6$ de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI ».

Théorème

Modèle:Théorème Modèle:AlCommentaire : sous cette forme, ce théorème applicable en dynamique newtonienne à un système fermé de points matériels en rotation autour d'un axe fixe, ne l'est pas en dynamique relativiste.

Démonstration

Modèle:AlAyant rappelé, dans le paragraphe « moment cinétique scalaire du système discret de points matériels par rapport à un axe Δ (cas particulier d'un système discret de points matériels en rotation autour d'un axe fixe dans le référentiel d'étude) » plus haut dans ce chapitre, le lien entre le moment cinétique scalaire du système par rapport à l'axe $\mathrm{\Delta }$ de rotation ${\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst},t)$, la vitesse angulaire $\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$ de rotation et le moment d'inertie $J_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})$ à savoir «${\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst},t)=J_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$» et appliquant le théorème du moment cinétique scalaire au système sous sa forme la plus générale «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)=\frac{d{\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})}{dt}(t)$», il suffit alors d'expliciter la dérivée temporelle du moment cinétique scalaire dans le cas où le système est en rotation en tenant compte du fait que le moment d'inertie du système relativement à l'axe de rotation est une constante, soit «$\frac{d{\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})}{dt}(t)=\frac{d[J_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})\bar{\mathrm{\Omega }}]}{dt}(t)=J_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})\frac{d\bar{\mathrm{\Omega }}}{dt}(t)$» et par suite «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)=J_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})\frac{d\bar{\mathrm{\Omega }}}{dt}(t)$» R.Q.F.D.

Remarque

Modèle:AlSachant $[$voir le paragraphe «  expression du vecteur moment cinétique d'un système discret fermé de points matériels en rotation autour d'un axe Δ fixe dans le référentiel d'étude, le point origine de calcul étant un point A de Δ » plus haut dans ce chapitre$]$ que «${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)=J_{\mathrm{\Delta }}\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)-\bar{\mathrm{\Omega }}(t)[\sum _{i=1..N}{m}_i{z}_i{r}_i{\overrightarrow{u}}_{r_i}(t)]$» dans laquelle «$(r_i,{\theta }_i,z_i)$» sont les coordonnées cylindro-polaires de pôle $A$ et d'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ orienté par ${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$ $[$de sens a priori arbitraire sur $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ mais pratiquement choisi dans le sens de rotation quand celui-ci, connu, ne change pas$]$ du point $M_i,\left(m_i\right)$ $[$la base cylindro-polaire liée à $M_i$ étant notée $({\overrightarrow{u}}_{r_i},{\overrightarrow{u}}_{{\theta }_i},{\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }})]$, $J_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})$ le moment d'inertie du système par rapport à l'axe de rotation $\left(\mathrm{\Delta }\right)$, $\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$ le vecteur rotation instantanée du système à l'instant $t$ et $\bar{\mathrm{\Omega }}(t)=$ $\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$ la vitesse angulaire de rotation du système au même instant $t$, nous constatons que, dans le cas général, «${\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)\ne J_{\mathrm{\Delta }}\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}(t)$» $\Rightarrow$ «$\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_A}{dt}(\text{syst},t)\ne J_{\mathrm{\Delta }}\frac{d\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}{dt}(t)$» d'où
Modèle:Alle théorème du moment cinétique vectoriel d'un système discret fermé de points matériels en rotation autour d'un axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ fixe dans le référentiel d'étude galiléen s'écrit «${\overrightarrow{ℳ}}_{A,\text{ext}}(t)=\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst})}{dt}(t)$» avec «${\overrightarrow{ℳ}}_{A,\text{ext}}(t)\ne J_{\mathrm{\Delta }}\frac{d\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}{dt}(t)$» dans le cas général où l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ n'est pas un axe principal d'inertie du système ;

Modèle:Alpar contre, dans le cas particulier où l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$, fixe dans le référentiel d'étude galiléen, est un axe principal d'inertie du système discret fermé de points matériels autour duquel il est en rotation, le théorème du moment cinétique vectoriel du système en rotation autour de $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ s'écrit «${\overrightarrow{ℳ}}_{A,\text{ext}}(t)=\frac{d{\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst})}{dt}(t)=J_{\mathrm{\Delta }}\frac{d\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}{dt}(t)=J_{\mathrm{\Delta }}\frac{d\bar{\mathrm{\Omega }}}{dt}(t){\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}=J_{\mathrm{\Delta }}\frac{d^2\theta }{d{t}^2}(t){\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$», $A$ étant un point quelconque de $\left(\mathrm{\Delta }\right)$.

Conséquence

Modèle:AlSi le moment résultant dynamique scalaire du système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$ en rotation autour de l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ fixe dans le référentiel d'étude $ℛ$ galiléen est nul c'est-à-dire si «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)=0$», le système $\left(𝒮\right)$ tourne à vitesse angulaire conservée dans le temps c'est-à-dire «$\bar{\mathrm{\Omega }}(t)=cste,\mathrm{\forall }t$».

Prolongement, solide en rotation autour d'un axe (Δ) de direction fixe dans le référentiel d'étude

Modèle:AlLe prolongement du théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$ en rotation autour d'un axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ de direction fixe dans le référentiel d'étude $ℛ$ galiléen $[$ce qui a pour conséquence que le vecteur unitaire ${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$ orientant $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ est un vecteur constant dans $ℛ]$ n'est pas à mémoriser car d'utilisation trop restreinte mais il faut savoir le retrouver si besoin est ;

Modèle:Alil se déduit du prolongement du théorème du moment cinétique vectoriel appliqué à $\left(𝒮\right)$ en un point origine $A$ mobile dans le référentiel d'étude $ℛ$ galiléen, $A$ étant choisi sur $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ de façon à ce que $\left\{\begin{array}{c}{ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)={\overrightarrow{ℳ}}_{A,\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\\ {\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst},t)={\overrightarrow{\sigma }}_A(\text{syst},t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\end{array}\right\}$ soit «${\overrightarrow{ℳ}}_{A,\text{ext}}(t)=\frac{d\overrightarrow{{\sigma }_A}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)+{\overrightarrow{V}}_A(t)\wedge \overrightarrow{P}(\text{syst},t)$» dans laquelle «$\overrightarrow{P}(\text{syst},t)$ est la résultante cinétique du système » et «${\overrightarrow{V}}_A(t)$ le vecteur vitesse du point $A$ dans $ℛ$» définis tous deux à l'instant $t$ $\Rightarrow$ «${\overrightarrow{ℳ}}_{A,\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}=\frac{d\overrightarrow{{\sigma }_A}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}+[{\overrightarrow{V}}_A(t)\wedge \overrightarrow{P}(\text{syst},t)]\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$» dans laquelle on reconnaît

• dans le Modèle:1er membre, le moment résultant dynamique scalaire du système relativement à l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ soit «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)$»,
• dans le Modèle:1er terme du 2^ème membre, la dérivée temporelle du moment cinétique scalaire du système relativement à l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ car «$\frac{d\overrightarrow{{\sigma }_A}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}=\frac{d[\overrightarrow{{\sigma }_A}\left(\text{syst}\right)\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}]}{dt}(t)$» compte-tenu du fait que ${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}=\overrightarrow{\text{cste}}$ soit «$\frac{d{\sigma }_{\mathrm{\Delta }}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)$» et
• dans le 2^ème terme du 2^ème membre, un produit mixte «$[{\overrightarrow{V}}_A(t)\wedge \overrightarrow{P}(\text{syst},t)]\cdot {\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$ a priori $\ne 0$» ou encore, «$[{\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\wedge {\overrightarrow{V}}_A(t)]\cdot \overrightarrow{P}(\text{syst},t)$ a priori $\ne 0$» en utilisant l'invariance d'un produit mixte par permutation circulaire,

Modèle:Alsoit finalement, sans utiliser le caractère rotatif du système $\left(𝒮\right)$, «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)=\frac{d{\sigma }_{\mathrm{\Delta }}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)+[{\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\wedge {\overrightarrow{V}}_A(t)]\cdot \overrightarrow{P}(\text{syst},t)$» ;

Modèle:Alpour un système $\left(𝒮\right)$ en rotation, à l'instant $t$, à la vitesse angulaire $\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$ dans $ℛ$ galiléen autour de l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ se translatant dans $ℛ$ $[$donc gardant une direction fixe$]$, le moment cinétique scalaire du système à l'instant $t$, dans $ℛ$, s'exprimant selon «${\sigma }_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst},t)=J_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$» avec $J_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})$ le moment d'inertie du système par rapport à l'axe de rotation $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ $\Rightarrow$ «$\frac{d{\sigma }_{\mathrm{\Delta }}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)=$ $J_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})\frac{d\bar{\mathrm{\Omega }}}{dt}(t)$» d'où l'énoncé du prolongement du théorème du moment cinétique scalaire appliqué à $\left(𝒮\right)$ en rotation autour de $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ de direction fixe dans le référentiel d'étude $ℛ$ galiléen.

Modèle:Théorème Modèle:AlCommentaires : sous cette forme, ce prolongement de théorème applicable en dynamique newtonienne à un système fermé de points matériels en rotation autour d'un axe de direction fixe, ne l'est pas en dynamique relativiste.

Modèle:AlModèle:TransparentLe terme correctif «$[{\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\wedge {\overrightarrow{V}}_A(t)]\cdot \overrightarrow{P}(\text{syst},t)$» se réécrivant, en tenant compte de «$\overrightarrow{P}(\text{syst},t)=m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G(t)$» $[$voir le paragraphe « résultante cinétique du système discret de points matériels (propriété de la résultante cinétique d'un système discret fermé) » plus haut dans ce chapitre$]$, «$m_{\text{syst}}[{\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}\wedge {\overrightarrow{V}}_A(t)]\cdot {\overrightarrow{V}}_G(t)$» est nul dans le cas de nullité d'un produit mixte c'est-à-dire dans le cas où

• l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ glisse sur lui-même $\Rightarrow$ ${\overrightarrow{V}}_A(t)$ du point fixe $A$ de $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ est colinéaire à ${\overrightarrow{u}}_{\mathrm{\Delta }}$ ou,
• l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ se translate parallèlement au mouvement du C.D.I. $G$ du système $\Rightarrow$ ${\overrightarrow{V}}_A(t)$ du point fixe $A$ de $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ est colinéaire à ${\overrightarrow{V}}_G(t)$ ou encore,
• l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ passe par le C.D.I. $G$ du système $[$ce qui est certainement le cas le plus fréquemment rencontré$]$ $\Rightarrow$ ${\overrightarrow{V}}_A(t)$ du point fixe $A$ de $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ est colinéaire à ${\overrightarrow{V}}_G(t)$ ;

Modèle:AlModèle:Transparenten conclusion le prolongement du théorème du moment cinétique scalaire appliqué à un système discret fermé de points matériels en rotation autour d'un axe de direction fixe dans le référentiel d'étude galiléen prend la forme simplifiée «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}\left(t\right)=J_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})\frac{d\bar{\mathrm{\Omega }}}{dt}(t)=J_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})\frac{d^2\theta }{d{t}^2}(t)$» dans le cas où l'axe de rotation $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ glisse sur lui-même ou si la translation de l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ se fait parallèlement à la trajectoire du C.D.I. $G$ du système $[$dont un cas particulier est l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ passant par $G$ c'est-à-dire «$\left(\mathrm{\Delta }\right)=\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$»$]$.

Théorème de la puissance cinétique

Modèle:AlVoir aussi le paragraphe « énoncé (du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système de matière quelconque dans un référentiel d'étude galiléen) » du chap.$10$ de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI ».

Énoncé

Modèle:Théorème Modèle:AlCommentaires : ce théorème peut s'appliquer sous cette forme, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système fermé $($déformable ou non$)$ de points matériels mais $\dots$
Modèle:AlModèle:Transparentil n'est pas applicable, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système ouvert de points matériels défini à l'instant $t$ comme le contenu intérieur à la surface de contrôle $(\mathrm{\Sigma })$Modèle:,.

Modèle:AlDémonstration : Dans le référentiel d'étude galiléen

${ℛ}_{\text{gal}}$

, on applique le théorème de la puissance cinétique à chaque point matériel

$M_i$

, soit

«${\dot{K}}_{M_i}(t)=𝒫\left[{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow \text{ext de}\left(𝒮\right)}\right](t)+\sum _{j=1..N}^{j\ne i}𝒫\left[{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow M_j}\right](t),\left(𝔟\right)$» puis

Modèle:AlModèle:Transparenton fait la somme, membre à membre, des

$N$

relations

$\left(𝔟\right)$

ainsi définies à l'instant

$t$ «$\sum _{i=1..N}{\dot{K}}_{M_i}(t)=\sum _{i=1..N}\{𝒫\left[{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow \text{ext de}\left(𝒮\right)}\right](t)+\sum _{j=1..N}^{j\ne i}𝒫\left[{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow M_j}\right](t)\}$» ou encore
«$\sum _{i=1..N}{\dot{K}}_{M_i}(t)=\sum _{i=1..N}𝒫\left[{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow \text{ext de}\left(𝒮\right)}\right](t)+\sum _{i=1..N}\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}𝒫\left[{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow M_j}\right](t)\}$»

• le Modèle:1er membre «$\sum _{i=1..N}{\dot{K}}_{M_i}(t)$» se réécrivant «$\frac{d\left[\sum _{i=1..N}{K}_{M_i}\right]}{dt}(t)$» après permutation de la dérivation temporelle et de l'addition est égale à la dérivée temporelle de l’énergie cinétique du système Modèle:Nobr $=\sum _{i=1..N}{K}_{M_i}(t)$» à l'instant $t$ c'est-à-dire à la puissance cinétique du système «${\dot{K}}_{\left(𝒮\right)}(t)$» au même instant $t$,
• le Modèle:1er terme du 2^nd membre «$\sum _{i=1..N}𝒫\left[{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow \text{ext}}\right](t)$» définit la puissance développée, à l'instant $t$, par les forces extérieures appliquées au système «$\sum _{i=1..N}𝒫\left[{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow \text{ext}}\right](t)={𝒫}_{\text{ext}}(t)$» et
• le 2^ème terme du 2^nd membre «$\sum _{i=1..N}\{\sum _{j=1..N}^{j\ne i}𝒫\left[{\overrightarrow{F}}_{M_i\leftarrow M_j}\right](t)\}$» la puissance développée, à l'instant $t$, par les forces intérieures appliquées au système Modèle:Nobr $={𝒫}_{\text{int}}(t)$»,

Modèle:AlModèle:Transparentd’où la démonstration du théorème de la puissance cinétique appliqué à un système discret fermé de points matériels.

Cas particulier d'un solide

Modèle:AlVoir aussi le paragraphe « théorème de la puissance cinétique appliqué à un solide dans le référentiel d'étude galiléen » du chap.$10$ de la leçon « Mécanique 2 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI ».

Modèle:AlLe théorème de la puissance cinétique se simplifie dans le cas particulier d'un système discret fermé de points matériels «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» indéformable c'est-à-dire d'un solide $($au sens de la mécanique$)$ car nous avons établi au paragraphe « 3^ème conséquence (de l'évaluation de la puissance développée par les forces intérieures appliquées à un solide) » plus haut dans ce chapitre que celle-ci est nulle soit «${𝒫}_{\text{int}\text{syst. indéform.}}(t)=0,\mathrm{\forall }t$» d'où l'énoncé du théorème :

Modèle:Théorème Modèle:AlCommentaire : ce théorème peut s'appliquer sous cette forme, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système fermé indéformable de points matériels $\dots$

Modèle:AlRéécriture du théorème suivant la nature du mouvement du solide $\succ$Solide en translation de vecteur vitesse ${\overrightarrow{V}}_{(𝒮)\text{en transl.}}(t)$ dans le référentiel d'étude ${ℛ}_{\text{gal}}$ galiléen : la puissance développée par le système des forces extérieures appliqué au système $\left(𝒮\right)$ en translation s'écrivant «${𝒫}_{\text{ext}}(t)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_{(𝒮)\text{en transl.}}(t)$» avec «$F_{\text{ext}}(t)$ la résultante dynamique appliquée à $\left(𝒮\right)$ à l'instant $t$» et l'énergie cinétique du système $\left(𝒮\right)$ en translation «$K_{(𝒮)\text{en transl.}}(t)=\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_{(𝒮)\text{en transl.}}^2(t)$» avec «$m_{\text{syst}}$ la masse du système », le théorème de la puissance cinétique appliqué au système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$ en translation relativement au référentiel d'étude ${ℛ}_{\text{gal}}$ galiléen se réécrit «$\frac{d\left[\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_{(𝒮)\text{en transl.}}^2\right]}{dt}(t)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_{(𝒮)\text{en transl.}}(t)$».

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$Solide en rotation de vitesse angulaire instantanée $\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$ autour d'un axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ fixe dans le référentiel d'étude ${ℛ}_{\text{gal}}$ galiléen : la puissance développée par le système des forces extérieures appliqué au système $\left(𝒮\right)$ en rotation autour d'un axe fixe s'écrivant «${𝒫}_{\text{ext}}(t)={ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$» avec «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)$ le moment résultant dynamique scalaire appliquée à $\left(𝒮\right)$ à l'instant $t$ relativement à $\left(\mathrm{\Delta }\right)$» et l'énergie cinétique du système $\left(𝒮\right)$ en rotation autour d'un axe fixe «$K_{(𝒮)\text{en rot.}}(t)=\frac{1}{2}{J}_{\mathrm{\Delta }}(𝒮)\stackrel{2}{\stackrel{‾}{\mathrm{\Omega }}}(t)$» avec «$J_{\mathrm{\Delta }}(𝒮)$ le moment d'inertie du système », le théorème de la puissance cinétique appliqué au système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$ en rotation autour d'un axe fixe relativement au référentiel d'étude ${ℛ}_{\text{gal}}$ galiléen se réécrit «$\frac{d[\frac{1}{2}{J}_{\mathrm{\Delta }}(𝒮)\stackrel{2}{\stackrel{‾}{\mathrm{\Omega }}}]}{dt}(t)={ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$».

$\succ$

Solide en mouvement quelconque dans le référentiel d'étude

${ℛ}_{\text{gal}}$

galiléen, mouvement composé d'une translation de vecteur vitesse, à l'instant

$t$

,

${\overrightarrow{V}}_G(t)$

,

$G$

étant le C.D.I. du solide, et d'une rotation de vecteur rotation instantanée, au même instant

$t$

,

${\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G}(t)$

autour d'un axe

$\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$

passant par

$G$

 : la puissance développée par le système des forces extérieures appliqué au système

$\left(𝒮\right)$

en mouvement quelconque s'écrivant «

${𝒫}_{\text{ext}}(t)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_G(t)+{\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G}(t)$

» avec «

$F_{\text{ext}}(t)$

la résultante dynamique appliquée à

$\left(𝒮\right)$

à l'instant

$t$

» ainsi que «

${\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(t)$

le moment résultant dynamique vectoriel appliquée à

$\left(𝒮\right)$

à l'instant

$t$

évalué par rapport à

$G$

» et l'énergie cinétique du système

$\left(𝒮\right)$

en mouvement quelconque s'évaluant par utilisation du 2^ème théorème de Kœnig «

$K_{(𝒮)}(t)=K_{(𝒮)}^{*}(t)+\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G^2(t)$

» avec «

$m_{\text{syst}}$

la masse du solide », «

$K_{(𝒮)}^{*}(t)$

l'énergie cinétique barycentrique du solide laquelle est égale à

$K_{(𝒮)}^{*}(t)=\frac{1}{2}{J}_{{\mathrm{\Delta }}_G}(𝒮){\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G}^2(t)$

,

$J_{{\mathrm{\Delta }}_G}(𝒮)$

étant le moment d'inertie du solide par rapport à l'axe

$\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$

», le théorème de la puissance cinétique appliqué au système discret fermé indéformable de points matériels

$\left(𝒮\right)$

en mouvement quelconque dans le référentiel d'étude

${ℛ}_{\text{gal}}$

galiléen se réécrit

«$\frac{d[\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G^2+\frac{1}{2}{J}_{{\mathrm{\Delta }}_G}(𝒮){\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G}^2]}{dt}(t)={\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{V}}_G(t)+{\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(t)\cdot {\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G}(t)$».

Théorème de l'énergie cinétique

Modèle:AlLa forme « intégrée » associée à la forme « locale » du « théorème de la puissance cinétique » est le « théorème de l'énergie cinétique » $[$voir le paragraphe « différence entre “ forme locale de la dynamique ” et “ forme intégrée associée à cette forme locale ” » du chap.$15$ de la leçon « Mécanique 1 (PCSI) » du cours « Physique en classe préparatoire PCSI »$]$.

Théorème de l'énergie cinétique sur une durée élémentaire

Modèle:AlPour passer d'une « forme locale de la dynamique écrite à l'instant $t$» à la « forme intégrée écrite sur l'intervalle de temps $[t,t+dt]$ associée à cette forme locale », il suffit de multiplier la forme locale par $dt$ d'où l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire $[$après utilisation de $𝒫(t)dt=\delta W$ d'une part et $\dot{K}(t)dt=dK$ d'autre part$]$ :

Modèle:Théorème Modèle:AlCommentaires : ce théorème peut s'appliquer sous cette forme, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système fermé $($déformable ou non$)$ de points matériels mais $\dots$
Modèle:AlModèle:Transparentil n'est pas applicable, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système ouvert de points matériels défini à l'instant $t$ comme le contenu intérieur à la surface de contrôle $(\mathrm{\Sigma })$Modèle:,.

Modèle:AlCas particulier d'un système discret fermé indéformable de points matériels $($c'est-à-dire d'un solide au sens de la mécanique$)$ : de ${𝒫}_{\text{int}}(t)=0,\mathrm{\forall }t$ on déduit $\delta W_{\text{int}}=0$ d'où l'énoncé du théorème :

Modèle:Théorème Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$Solide en translation de vecteur déplacement élémentaire «$\overrightarrow{d𝑙}={\overrightarrow{V}}_{(𝒮)\text{en transl.}}(t)dt$» dans le référentiel d'étude ${ℛ}_{\text{gal}}$ galiléen : «$d[\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_{(𝒮)\text{en transl.}}^2(t)]={\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot \overrightarrow{d𝑙}$» avec «$m_{\text{syst}}$ la masse du solide » et «${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)$ la résultante dynamique appliquée au solide à l'instant $t$».

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$Solide en rotation de déplacement angulaire élémentaire «$d\theta =\bar{\mathrm{\Omega }}(t)dt$» autour de l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ fixe dans le référentiel d'étude ${ℛ}_{\text{gal}}$ galiléen : «$d[\frac{1}{2}{J}_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})\stackrel{2}{\stackrel{‾}{\mathrm{\Omega }}}(t)]={ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)d\theta$» avec «$J_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})$ le moment d'inertie du solide par rapport à $\left(\mathrm{\Delta }\right)$» et «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)$ le moment résultant dynamique scalaire par rapport à $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ appliqué au solide à l'instant $t$».

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$Solide en mouvement quelconque composé d'un déplacement élémentaire de son C.D.I. $G$ «$\overrightarrow{dG}={\overrightarrow{V}}_G(t)dt$» et d'un déplacement angulaire élémentaire «$d{\theta }_{/{\mathrm{\Delta }}_G}=\bar{\mathrm{\Omega }}(t)dt$» autour de l'axe $\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$ passant par $G$ mobile dans le référentiel d'étude ${ℛ}_{\text{gal}}$ galiléen : «$d[\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G^2(t)]+d[\frac{1}{2}{J}_{{\mathrm{\Delta }}_G}(\text{syst}){\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G}^2(t)]=$ ${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot \overrightarrow{dG}+{ℳ}_{{\mathrm{\Delta }}_G,\text{ext}}(t)d{\theta }_{/{\mathrm{\Delta }}_G}$» avec «$m_{\text{syst}}$ la masse du solide », «$J_{{\mathrm{\Delta }}_G}(\text{syst})$ le moment d'inertie du solide par rapport à $\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$», «${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)$ la résultante dynamique appliquée au solide à l'instant $t$» et «${ℳ}_{{\mathrm{\Delta }}_G,\text{ext}}(t)$ le moment résultant dynamique scalaire par rapport à $\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$ appliqué au solide au même instant $t$».

Théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie

Modèle:AlPour mémoire « le théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie » s'obtient en intégrant « le théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire » sur l'intervalle de temps d'application du théorème en utilisant que le travail sur une durée finie est la somme continue de tous les travaux élémentaires c'est-à-dire «$W_{[t_0,t_f]}=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}\delta W(t)$» d'où l'énoncé du théorème de l'énergie cinétique sur une durée finie appliqué à un système discret fermé de points matériels :

Modèle:Théorème Modèle:AlCommentaires : ce théorème peut s'appliquer sous cette forme, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système fermé $($déformable ou non$)$ de points matériels mais $\dots$
Modèle:AlModèle:Transparentil n'est pas applicable, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système ouvert de points matériels défini à l'instant $t$ comme le contenu intérieur à la surface de contrôle $(\mathrm{\Sigma })$Modèle:,.

Modèle:AlCas particulier d'un système discret fermé indéformable de points matériels $($c'est-à-dire d'un solide au sens de la mécanique$)$ : de $\delta W_{\text{int}}(t)=0,\mathrm{\forall }t$ on déduit $W_{\text{int sur}[t_0,t_f]}=0$ d'où l'énoncé du théorème :

Modèle:Théorème Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$Solide en translation de vecteur déplacement élémentaire «$\overrightarrow{d𝑙}={\overrightarrow{V}}_{(𝒮)\text{en transl.}}(t)dt$» dans le référentiel d'étude ${ℛ}_{\text{gal}}$ galiléen : «$\mathrm{\Delta }[\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_{(𝒮)\text{en transl.}}^2(t)]=\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_{(𝒮)\text{en transl.}}^2(t_f)-\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_{(𝒮)\text{en transl.}}^2(t_0)=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}{\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot \overrightarrow{d𝑙}(t)$» avec «$m_{\text{syst}}$ la masse du solide » et «${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)$ la résultante dynamique appliquée au solide à l'instant $t$».

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$Solide en rotation de déplacement angulaire élémentaire «$d\theta =\bar{\mathrm{\Omega }}(t)dt$» autour de l'axe $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ fixe dans le référentiel d'étude ${ℛ}_{\text{gal}}$ galiléen : «$\mathrm{\Delta }[\frac{1}{2}{J}_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})\stackrel{2}{\stackrel{‾}{\mathrm{\Omega }}}(t)]=\frac{1}{2}{J}_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})\stackrel{2}{\stackrel{‾}{\mathrm{\Omega }}}(t_f)-\frac{1}{2}{J}_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})\stackrel{2}{\stackrel{‾}{\mathrm{\Omega }}}(t_0)=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}{ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)d\theta$» avec «$J_{\mathrm{\Delta }}(\text{syst})$ le moment d'inertie du solide par rapport à $\left(\mathrm{\Delta }\right)$» et «${ℳ}_{\mathrm{\Delta },\text{ext}}(t)$ le moment résultant dynamique scalaire par rapport à $\left(\mathrm{\Delta }\right)$ appliqué au solide à l'instant $t$».

Modèle:AlModèle:Transparent$\succ$Solide en mouvement quelconque composé d'un déplacement élémentaire de son C.D.I. $G$ «$\overrightarrow{dG}={\overrightarrow{V}}_G(t)dt$» et d'un déplacement angulaire élémentaire «$d{\theta }_{/{\mathrm{\Delta }}_G}=\bar{\mathrm{\Omega }}(t)dt$» autour de l'axe $\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$ passant par $G$ mobile dans le référentiel d'étude ${ℛ}_{\text{gal}}$ galiléen : «$\mathrm{\Delta }[\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G^2(t)]+\mathrm{\Delta }[\frac{1}{2}{J}_{{\mathrm{\Delta }}_G}(\text{syst}){\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G}^2(t)]=$ $\{\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G^2(t_f)+\frac{1}{2}{J}_{{\mathrm{\Delta }}_G}(\text{syst}){\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G}^2(t_f)\}-\{\frac{1}{2}{m}_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G^2(t_0)+\frac{1}{2}{J}_{{\mathrm{\Delta }}_G}(\text{syst}){\overrightarrow{\mathrm{\Omega }}}_{/{\mathrm{\Delta }}_G}^2(t_0)\}=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}{\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)\cdot \overrightarrow{dG}+\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}{ℳ}_{{\mathrm{\Delta }}_G,\text{ext}}(t)d{\theta }_{/{\mathrm{\Delta }}_G}$» avec «$m_{\text{syst}}$ la masse du solide », «$J_{{\mathrm{\Delta }}_G}(\text{syst})$ le moment d'inertie du solide par rapport à $\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$», «${\overrightarrow{F}}_{\text{ext}}(t)$ la résultante dynamique appliquée au solide à l'instant $t$» et «${ℳ}_{{\mathrm{\Delta }}_G,\text{ext}}(t)$ le moment résultant dynamique scalaire par rapport à $\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$ appliqué au solide au même instant $t$».

Théorème de la variation de l'énergie mécanique

Modèle:AlThéorème déduit du « théorème de l'énergie cinétique » dans le cas où « le système de forces résultant de l'action du système $\left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)$ extérieur au système $\left(𝒮\right)$ étudié » ou $($et$)$ « celui de forces intérieures correspondant à une interaction ${}_q$ entre points de $\left(𝒮\right)$» est $($sont$)$ conservatif(s) $\dots$

Définition de l'énergie mécanique d'un système discret fermé de points matériels dans le champ des forces extérieures et intérieures conservatives

Modèle:AlDans le cas où le système de forces résultant de l'action du système $\left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)$ extérieur au système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» ainsi qu'éventuellement celui de forces intérieures correspondant à une interaction ${}_q$ entre points de $\left(𝒮\right)$» sont conservatifs, on définit

• l'énergie potentielle de $\left(𝒮\right)$ dans le champ du système de forces extérieures conservatif $\left({ℱ}_k\right)={\left\{{\overrightarrow{F}}_{i\leftarrow \left({\mathrm{\Sigma }}_k\right)}\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$ soit «$U_{\text{ext},\left({ℱ}_k\right)}[M_1,..,M_i,..,M_N]$» ainsi que, si nécessaire,
• l'énergie potentielle de $\left(𝒮\right)$ dans le champ éventuel «$\left({ℱ}_{{\text{interact}}_q}\right)={\left\{{\overrightarrow{F}}_{{\text{interact}}_q,i\leftarrow j}\right\}}_{(i,j\ne i)\in {\left[[1,N]\right]}^2}$» des forces intérieures correspondant à une interaction ${}_q$ entre points de $\left(𝒮\right)$ soit «$U_{\text{int},\left({ℱ}_{{\text{interact}}_q}\right)}\left[{\left\{r_{j,i}\right\}}_{\lfloor \begin{array}{c}i=1..N\\ j=i+1..N\end{array}\rceil }\right]$» puis

Modèle:Aldans le référentiel d'étude

$ℛ$

, l'énergie mécanique de

$\left(𝒮\right)$

, à l'instant

$t$

, «

$E_{m,\left(𝒮\right)}(t)$

» dans les champs de forces extérieures et intérieures conservatives selon

«$E_{m,\left(𝒮\right)}(t)=K_{\left(𝒮\right)}(t)+U_{\text{ext},\left({ℱ}_k\right)}[M_{1,t},..,M_{i,t},..,M_{N,t}]+U_{\text{int},\left({ℱ}_{{\text{interact}}_q}\right)}\left[{\{r_{j,i}(t)\}}_{\lfloor \begin{array}{c}i=1..N\\ j=i+1..N\end{array}\rceil }\right]$»
avec «$K_{\left(𝒮\right)}(t)$» l'énergie cinétique de $\left(𝒮\right)$, à l'instant $t$, dans le référentiel d'étude $ℛ$.

Théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée élémentaire

Modèle:AlPour établir, dans le référentiel d'étude

$ℛ$

galiléen, le théorème de la variation de l'énergie mécanique sous forme élémentaire appliqué, à l'instant

$t$

, à un système discret fermé de points matériels «

$\left(𝒮\right)=$ ${\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$

» dans lequel «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

»,
Modèle:AlModèle:Transparenton écrit, dans le référentiel

$ℛ$

, le théorème de l'énergie cinétique sous forme élémentaire appliqué, à l'instant

$t$

, au système

$\left(𝒮\right)$

, en distinguant parmi les forces extérieures ainsi que celles intérieures les forces conservatives dont on veut utiliser le caractère conservatif de celles qui ne le sont pas

$($

ou qui le sont mais dont on ne souhaite pas utiliser l'aspect conservatif

$)$

soit

«$d{K}_{\left(𝒮\right)}=\delta W_{\text{ext},\text{forces conserv.}}+\delta W_{\text{ext},\text{forces non conserv.}}+\delta W_{\text{int},\text{forces conserv.}}+\delta W_{\text{int},\text{forces non conserv.}}$» et

Modèle:AlModèle:Transparenton utilise la définition de l'énergie potentielle de

$\left(𝒮\right)$

dans le champ de forces extérieures conservatif ainsi que celle dans le champ de forces intérieures conservatif soit

«$\delta W_{\text{ext},\text{forces conserv.}}=-d{U}_{\text{ext},\left({ℱ}_{\text{conserv.}}\right)}[M_1,..,M_i,..,M_N]$» et «$\delta W_{\text{int},\text{forces conserv.}}=-d{U}_{\text{int},\left({ℱ}_{\text{conserv.}}\right)}\left[{\{r_{j,i}(t)\}}_{\lfloor \begin{array}{c}i=1..N\\ j=i+1..N\end{array}\rceil }\right]$»,
$\Downarrow$
«$d{K}_{\left(𝒮\right)}=-d{U}_{\text{ext},\left({ℱ}_{\text{conserv.}}\right)}[M_1,..,M_i,..,M_N]+\delta W_{\text{ext},\text{forces non conserv.}}-d{U}_{\text{int},\left({ℱ}_{\text{conserv.}}\right)}\left[{\left\{r_{j,i}\right\}}_{\lfloor \begin{array}{c}i=1..N\\ j=i+1..N\end{array}\rceil }\right]+\delta W_{\text{int},\text{forces non conserv.}}$» puis,

Modèle:AlModèle:Transparenten ne laissant que les travaux élémentaires des forces non conservatives dans le membre de droite et en utilisant la définition, à l'instant

$t$

, dans le référentiel

$ℛ$

, de l'énergie mécanique du système

$\left(𝒮\right)$

dans les champs de forces extérieures et intérieures conservatifs «

$E_{m,\left(𝒮\right)}(t)=K_{\left(𝒮\right)}(t)+U_{\text{ext},\left({ℱ}_{\text{conserv.}}\right)}[M_{1,t},..,M_{i,t},..,M_{N,t}]+U_{\text{int},\left({ℱ}_{\text{conserv.}}\right)}\left[{\{r_{j,i}(t)\}}_{\lfloor \begin{array}{c}i=1..N\\ j=i+1..N\end{array}\rceil }\right]$

» soit

«$d{E}_{m,\left(𝒮\right)}=\delta W_{\text{ext},\text{forces non conserv.}}+\delta W_{\text{int},\text{forces non conserv.}}$» d'où l'énoncé du théorème :

Modèle:Théorème Modèle:AlCommentaires : ce théorème peut s'appliquer sous cette forme, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système fermé $($déformable ou non$)$ de points matériels mais $\dots$
Modèle:AlModèle:Transparentil n'est pas applicable, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système ouvert de points matériels défini à l'instant $t$ comme le contenu intérieur à la surface de contrôle $(\mathrm{\Sigma })$Modèle:,.

Modèle:AlCas particulier d'un système discret fermé indéformable de points matériels $($c'est-à-dire d'un solide au sens de la mécanique$)$ : utilisant $\delta W_{\text{int}}=0$ on en déduit l'énoncé du théorème appliqué à un système discret fermé indéformable de points matériels dans le champ de forces extérieures conservatif :

Théorème de la puissance mécanique, forme locale associée à la forme intégrée du « théorème de la variation de l'énergie mécanique sous forme élémentaire ou sur une durée finie »

Modèle:AlPour passer d'une « forme intégrée de la dynamique écrite sur l'intervalle de temps $[t,t+dt]$» à la « forme locale écrite à l'instant $t$ associée à cette forme intégrée », il suffit de diviser la forme élémentaire de la forme intégrée par $dt$ d'où l'énoncé du théorème de la puissance mécanique $[$après utilisation de $𝒫(t)=\frac{\delta W}{dt}$ d'une part et $\dot{E_m}(t)=\frac{d{E}_m}{dt}$ d'autre part$]$ :

Modèle:Théorème Modèle:AlCommentaires : ce théorème peut s'appliquer sous cette forme, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système fermé $($déformable ou non$)$ de points matériels mais $\dots$
Modèle:AlModèle:Transparentil n'est pas applicable, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système ouvert de points matériels défini à l'instant $t$ comme le contenu intérieur à la surface de contrôle $(\mathrm{\Sigma })$Modèle:,.

Modèle:AlCas particulier d'un système discret fermé indéformable de points matériels $($c'est-à-dire d'un solide au sens de la mécanique$)$ : utilisant ${𝒫}_{\text{int}}=0$ on en déduit l'énoncé du théorème appliqué à un système discret fermé indéformable de points matériels dans le champ de forces extérieures conservatif :

Théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie

Modèle:AlPour mémoire « le théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie » s'obtient en intégrant « le théorème de la variation de l'énergie mécanique sous forme élémentaire » sur l'intervalle de temps d'application du théorème en utilisant que le travail sur une durée finie est la somme continue de tous les travaux élémentaires c'est-à-dire «$W_{[t_0,t_f]}=\underset{t_0}{\overset{t_f}{\int }}\delta W(t)$» d'où l'énoncé du théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie appliqué à un système discret fermé de points matériels :

Modèle:Théorème Modèle:AlCommentaires : ce théorème peut s'appliquer sous cette forme, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système fermé $($déformable ou non$)$ de points matériels mais $\dots$
Modèle:AlModèle:Transparentil n'est pas applicable, en dynamique newtonienne ou relativiste, à un système ouvert de points matériels défini à l'instant $t$ comme le contenu intérieur à la surface de contrôle $(\mathrm{\Sigma })$Modèle:,.

Modèle:AlCas particulier d'un système discret fermé indéformable de points matériels : de $\delta W_{\text{int},\text{forces non conserv.}}(t)=0,\mathrm{\forall }t$ on déduit $W_{\text{int sur}[t_0,t_f],\text{forces non conserv.}}=0$ d'où l'énoncé du théorème :

Modèle:Théorème Modèle:AlCas particulier d'un système discret fermé (déformable ou non) de points matériels conservatif : Un système discret fermé de points matériels «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» avec «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$» étant dit « conservatif » ssi « toutes les forces extérieures et intérieures sont conservatives ou, dans le cas de présence de forces extérieures et intérieures non conservatives, celles-ci ne travaillent pas » on en déduit aisément, par application du théorème de la variation de l'énergie mécanique sur une durée finie au système $\left(𝒮\right)$ étudié, la conservation de l'énergie mécanique du système discret fermé de points matériels $\left(𝒮\right)$ conservatif soit «$E_{m,\left(𝒮\right)}(t)=cste,\mathrm{\forall }t$» avec «$E_{m,\left(𝒮\right)}(t)=K_{\left(𝒮\right)}(t)+U_{\text{ext},\left({ℱ}_{\text{conserv.}}\right)}[M_{1,t},..,M_{i,t},..,M_{N,t}]+U_{\text{int},\left({ℱ}_{\text{conserv.}}\right)}\left[{\{r_{j,i}(t)\}}_{\lfloor \begin{array}{c}i=1..N\\ j=i+1..N\end{array}\rceil }\right]$».

Théorèmes de la dynamique newtonienne des systèmes discrets de points matériels applicables sans modification dans le référentiel barycentrique (a priori non galiléen) du système

Introduction

Modèle:AlDans le cas général d'un système discret fermé de points matériels «$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$» dans lequel «$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$», ce dernier n'étant ni isolé, ni pseudo-isolé, son C.D.I. $G$ n'est pas en mouvement rectiligne uniforme relativement au référentiel d'étude $ℛ$ galiléen et par suite le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$ du système n'est pas galiléen ;

Modèle:Alon en déduit qu'a priori les théorèmes de la dynamique newtonienne des systèmes discrets fermés de points matériels ne s'appliquent pas dans le référentiel barycentrique du système,

Modèle:Alle fait que le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$ soit en translation de vecteur vitesse ${\overrightarrow{V}}_G(t)$ dans le référentiel d'étude ${ℛ}_{\text{gal}}$ galiléen nécessite, a priori, l'ajout, aux systèmes de forces extérieures et intérieures appliqués au système, d'une pseudo-force d'inertie d'entraînement appliquée sur chaque point matériel $M_i$ du système «${\overrightarrow{f}}_{\text{in. e},M_i}(t)=-m_i{\overrightarrow{a}}_G(t)$» pour pouvoir appliquer les théorèmes de la dynamique newtonienne au système dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$ dans la mesure où ce dernier est non galiléen, toutefois $\dots$

Modèle:AlIl existe un théorème applicable sans modification dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$ d'un système discret fermé de points matériels ni isolé, ni pseudo-isolé, c'est le théorème du moment cinétique vectoriel avec, pour origine d'évaluation des moments vectoriels, le C.D.I. $G$ du système, voir ci-après.

Théorème du moment cinétique barycentrique vectoriel

Énoncé et démonstration

Modèle:AlDémonstration : Le référentiel d'étude

$ℛ$

étant galiléen, on peut appliquer au système discret fermé de points matériels «

$\left(𝒮\right)={\left\{M_i\left(m_i\right)\right\}}_{i\in \left[[1,N]\right]}$

» avec «

$N\in {\mathbb{N}}^{*}/\{1,2\}$

» le prolongement du théorème du moment cinétique vectoriel avec pour point origine d'évaluation des moments vectoriels le C.D.I.

$G$

du système soit

«${\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(t)=\frac{d\overrightarrow{{\sigma }_G}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t),\left(𝔠\right)$» dans le référentiel d'étude $ℛ$ galiléen, avec

Modèle:AlModèle:Transparent«${\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(t)$» le vecteur moment résultant dynamique par rapport à $G$ appliqué, à l'instant $t$, au système $\left(𝒮\right)$ et
Modèle:AlModèle:Transparent«$\overrightarrow{{\sigma }_G}(\text{syst},t)$» le vecteur moment cinétique de $\left(𝒮\right)$ par rapport à $G$ au même instant $t$ dans le référentiel d'étude $ℛ$ puis,
Modèle:AlModèle:Transparenton applique le Modèle:1er théorème de Kœnig au système $\left(𝒮\right)$ pour lier le vecteur moment cinétique barycentrique du système au vecteur moment cinétique de ce dernier dans le référentiel d'étude «${\overrightarrow{\sigma }}_O(\text{syst},t)={\overrightarrow{\sigma }}^{*}(\text{syst},t)+\overrightarrow{OG}(t)\wedge m_{\text{syst}}{\overrightarrow{V}}_G(t),\mathrm{\forall }O$» soit, en prenant $O$ en $G$, «${\overrightarrow{\sigma }}_G(\text{syst},t)={\overrightarrow{\sigma }}^{*}(\text{syst},t)$» dont on déduit
Modèle:AlModèle:Transparent«${\left[\frac{d\overrightarrow{{\sigma }_G}\left(\text{syst}\right)}{dt}\right]}_{/ℛ}(t)={\left[\frac{d\overrightarrow{{\sigma }^{*}}\left(\text{syst}\right)}{dt}\right]}_{/{ℛ}^{*}}(t)$» $[$la dérivée temporelle d'une grandeur vectorielle étant indépendante du référentiel dans lequel la dérivation est faite pourvu que les deux référentiels soient en translation l'un par rapport à l'autre$]$ d'où, par report dans la relation $\left(𝔠\right)$, «${\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(t)={\left[\frac{d\overrightarrow{{\sigma }^{*}}\left(\text{syst}\right)}{dt}\right]}_{/{ℛ}^{*}}(t)$» ou simplement «${\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(t)=\frac{d\overrightarrow{{\sigma }^{*}}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)$» R.Q.F.D. dans la mesure où les seuls référentiels utilisés sont en translation l'un par rapport à l'autre.

Cas particuliers

Modèle:Al$\succ$Il y a conservation du moment cinétique barycentrique vectoriel d'un système discret fermé de points matériels à savoir «$\overrightarrow{{\sigma }^{*}}(\text{syst},t)=\overrightarrow{\text{cste}},\mathrm{\forall }t$»
Modèle:Alsi le vecteur moment résultant dynamique appliqué au système par rapport à $G$, C.D.I. du système, est nul à tout instant $t$ c'est-à-dire si «${\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(\text{syst},t)=\overrightarrow{0},\mathrm{\forall }t$»,
Modèle:Alcette propriété résultant de l'application du théorème du moment cinétique barycentrique vectoriel au système discret fermé de points matériels dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$ a priori non galiléen, le référentiel d'étude $ℛ$ étant, quant à lui, galiléen soit «${\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(\text{syst},t)=\frac{d\overrightarrow{{\sigma }^{*}}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)$» dans lequel la nullité du Modèle:1er membre conduit à celle du 2^ème membre c'est-à-dire à «$\frac{d\overrightarrow{{\sigma }^{*}}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)=\overrightarrow{0},\mathrm{\forall }t$» d'où, après intégration par rapport au temps, «$\overrightarrow{{\sigma }^{*}}(\text{syst},t)=\overrightarrow{\text{cste}},\mathrm{\forall }t$».

$\succ$

Si le système discret fermé de points matériels est en rotation autour de

$\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$

de direction fixe orientée par

${\overrightarrow{u}}_{{\mathrm{\Delta }}_G}$

et passant par

$G$

, on peut déduire
Modèle:Aldu théorème du moment cinétique barycentrique vectoriel appliqué au système étudié dans le référentiel barycentrique

${ℛ}^{*}$

a priori non galiléen, le référentiel d'étude

$ℛ$

étant, quant à lui, galiléen,
Modèle:Alle théorème du moment cinétique barycentrique scalaire relativement à l'axe

$\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$

de direction fixe appliqué dans le référentiel barycentrique

${ℛ}^{*}$

a priori non galiléen,
Modèle:Alen multipliant scalairement les deux membres du théorème du moment cinétique barycentrique vectoriel par

${\overrightarrow{u}}_{{\mathrm{\Delta }}_G}$

soit «

${\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(\text{syst},t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{{\mathrm{\Delta }}_G}=\frac{d\overrightarrow{{\sigma }^{*}}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)\cdot {\overrightarrow{u}}_{{\mathrm{\Delta }}_G}=\frac{d[\overrightarrow{{\sigma }^{*}}\left(\text{syst}\right)\cdot {\overrightarrow{u}}_{{\mathrm{\Delta }}_G}]}{dt}(t)$

»,

${\overrightarrow{u}}_{{\mathrm{\Delta }}_G}$

étant un vecteur constant, soit finalement, par définition du moment scalaire de forces et du moment cinétique scalaire,

«${ℳ}_{{\mathrm{\Delta }}_G,\text{ext}}(\text{syst},t)=\frac{d{\sigma }_{{\mathrm{\Delta }}_G}^{*}\left(\text{syst}\right)}{dt}(t)$» avec $\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$ fixe dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$ du système,
${ℛ}^{*}$ étant a priori non galiléen, le référentiel d'étude $ℛ$ étant, quant à lui, galiléen ;

Modèle:Alle système étant en rotation autour de

$\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$

de direction fixe, on peut écrire «

${\sigma }_{{\mathrm{\Delta }}_G}^{*}(\text{syst},t)=J_{{\mathrm{\Delta }}_G}\left(\text{syst}\right)\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$

» avec «

$J_{{\mathrm{\Delta }}_G}\left(\text{syst}\right)$

le moment d'inertie du système » et «

$\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$

la vitesse angulaire instantanée de ce dernier autour de l'axe

$\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$

à l'instant

$t$

»

$\Rightarrow$

«

${ℳ}_{{\mathrm{\Delta }}_G,\text{ext}}(\text{syst},t)=J_{{\mathrm{\Delta }}_G}\left(\text{syst}\right)\frac{d\bar{\mathrm{\Omega }}}{dt}(t)$

»

$[J_{{\mathrm{\Delta }}_G}\left(\text{syst}\right)$

étant une constante

$]$

soit la réécriture du théorème du moment cinétique barycentrique scalaire pour un système discret fermé de points matériels en rotation autour d'un axe

$\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$

fixe dans le référentiel barycentrique

${ℛ}^{*}$

du système,

«${ℳ}_{{\mathrm{\Delta }}_G,\text{ext}}(\text{syst},t)=J_{{\mathrm{\Delta }}_G}\left(\text{syst}\right)\frac{d\bar{\mathrm{\Omega }}}{dt}(t)$» avec
$\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$ axe de rotation fixe dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$ a priori non galiléen,
le référentiel d'étude $ℛ$ étant, quant à lui, galiléen ;

Modèle:Alsi le vecteur moment résultant dynamique du système en rotation par rapport

$\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$

fixe dans le référentiel barycentrique

${ℛ}^{*}$

du système, avec le C.D.I. de ce dernier comme origine d'évaluation du moment vectoriel, est nul c'est-à-dire «

${\overrightarrow{ℳ}}_{G,\text{ext}}(\text{syst},t)=\overrightarrow{0},\mathrm{\forall }t$

»

$\Rightarrow$

«

${ℳ}_{{\mathrm{\Delta }}_G,\text{ext}}(\text{syst},t)=0,\mathrm{\forall }t$

», on déduit de l'application du théorème du moment cinétique barycentrique scalaire au système en rotation autour de

$\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$

fixe dans

${ℛ}^{*}$

,

la conservation de la vitesse angulaire instantanée de rotation $\bar{\mathrm{\Omega }}(t)$ du système autour de l'axe $\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$ fixe dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$
soit «$\bar{\mathrm{\Omega }}(t)=\text{cste},\mathrm{\forall }t$», le système étant donc en rotation uniforme autour de $\left({\mathrm{\Delta }}_G\right)$ fixe dans le référentiel barycentrique ${ℛ}^{*}$.