Dans la fenêtre d’impression, choisissez « Enregistrer au format PDF » pour garder une copie sur votre appareil.
1Formules et méthodes
Réactions d’appui des poutres
Équilibre
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Charge uniformément répartie
résultante w·L au milieu de la charge
Moment
M = F·d
Méthode
Tracez un diagramme du corps libre et remplacez chaque appui par ses réactions.
Remplacez chaque charge répartie par une force unique appliquée en son centre de gravité.
Prenez les moments par rapport à un appui pour trouver la réaction à l’autre.
Utilisez ΣFy = 0 pour trouver la réaction restante, et vérifiez avec une seconde équation de moments.
Contrainte et déformation axiales
Contrainte normale
σ = F/A
Déformation
ε = ΔL/L
Loi de Hooke
σ = E·ε
Allongement
ΔL = FL/(EA)
Déformation thermique
εT = α·ΔT
Torsion des arbres
Contrainte de cisaillement
τ = T·r/J
Arbre plein
J = πd⁴/32
Arbre creux
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Angle de torsion
φ = TL/(GJ)
Puissance
P = T·ω = 2πnT/60
Méthode
Trouvez le moment quadratique polaire : J = πd⁴/32 pour un arbre plein.
Contrainte de cisaillement en surface : τ = T·r/J, avec r le rayon extérieur.
Angle de torsion : φ = TL/(GJ) en radians.
Si la puissance est donnée, trouvez d’abord le couple avec P = T·ω, ω = 2πn/60.
Effort tranchant et moment fléchissant
Effort tranchant et moment
V = ΣF d’un côté, M = ΣF·d d’un côté
Contrainte de flexion
σ = M·y/I
Rectangle
I = bh³/12
Module de flexion
W = I/ymax
Poutre sur deux appuis, charge uniforme
Mmax = wL²/8
Méthode
Trouvez les réactions d’appui à partir de l’équilibre de la poutre entière.
Coupez la poutre à la section voulue et gardez un seul côté.
Effort tranchant : somme des forces verticales de ce côté. Moment fléchissant : somme de leurs moments par rapport à la coupure.
Pour le moment maximal, cherchez où l’effort tranchant s’annule.
Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes
Centre
C = (σx + σy)/2
Rayon
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Contraintes principales
σ1,2 = C ± R
Direction principale
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Facette inclinée
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ
Méthode
Calculez le centre du cercle de Mohr : C = (σx + σy)/2.
Calculez le rayon : R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
Les contraintes principales valent C ± R et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.
Les angles sur le cercle sont le double des angles sur l’élément : tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).
Flèche d’une poutre
Charge ponctuelle à mi-portée
δ = PL³/(48EI)
Charge uniforme, poutre sur deux appuis
δ = 5wL⁴/(384EI)
Console, charge en bout
δ = PL³/(3EI)
Console, charge uniforme
δ = wL⁴/(8EI)
Superposition
δ = δ1 + δ2
Flambement des poteaux
Charge critique d’Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Coefficient de longueur de flambement
K = 1 articulé–articulé, 0,5 encastré–encastré, 0,7 encastré–articulé, 2 encastré–libre
Contrainte critique
σcr = Pcr/A
Élancement
λ = KL/r, r = √(I/A)
Mouvement d’un projectile
Composantes
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Position
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Hauteur maximale
H = h + vy²/(2g)
Portée (sol horizontal)
R = v0²·sin 2θ/g
Méthode
Décomposez la vitesse initiale : vx = v₀·cos θ et vy = v₀·sin θ.
Le mouvement horizontal est à vitesse constante ; le mouvement vertical a une accélération −g.
Trouvez la durée du vol à partir du mouvement vertical.
Utilisez cette durée dans le mouvement horizontal pour trouver la portée.
Travail et énergie
Énergie cinétique
Ek = ½mv²
Énergie potentielle
Ep = mgh
Bilan d’énergie
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Travail du frottement
W = μ·N·d
Puissance
P = W/t
Vibrations mécaniques
Fréquence propre
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
À partir de la flèche statique
ωn = √(g/δst)
Amortissement critique
cc = 2√(km) = 2mωn
Taux d’amortissement
ζ = c/cc
Fréquence amortie
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Décrément logarithmique
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Ressorts en parallèle
k = k1 + k2
Ressorts en série
1/k = 1/k1 + 1/k2
Moteurs thermiques et réfrigérateurs
Rendement
η = W/QH = 1 − QC/QH
Rendement de Carnot
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP du réfrigérateur
COPR = QC/W
COP de la pompe à chaleur
COPHP = QH/W = COPR + 1
Bilan d’énergie
QH = W + QC
Cycles moteurs à gaz
Isentropique, rapport des volumes
T2/T1 = rk−1
Isentropique, rapport des pressions
T2/T1 = rp(k−1)/k
Rendement du cycle d’Otto
η = 1 − 1/rk−1
Rendement du cycle Diesel
η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
Rendement du cycle de Brayton
η = 1 − 1/rp(k−1)/k
Chaleur apportée
Otto : cv(T3 − T2) Diesel, Brayton : cp(T3 − T2)
Travail net du cycle de Brayton
w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
Rendements isentropiques
wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
Hypothèse air froid
k = 1,4, cp = 1,005, cv = 0,718 kJ/(kg·K)
Continuité et Bernoulli
Continuité
A1v1 = A2v2
Bernoulli
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Débit
Q = A·v
Aire du disque
A = πd²/4
Frottement en conduite et pertes de charge
Nombre de Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Régime d’écoulement
laminaire en dessous de Re ≈ 2000, turbulent au-dessus de Re ≈ 4000
Vitesse moyenne
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Pertes de charge singulières
hm = ΣK·V²/(2g)
Valeurs typiques de K
entrée 0,5, sortie 1,0, coude à 90° ≈ 0,3
Chute de pression
Δp = ρ·g·hf
Deux réservoirs à l’air libre
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Sortie libre
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Pompes et puissance de pompage
Puissance hydraulique
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Puissance sur l’arbre
Pshaft = Ph/ηpump
Puissance électrique
Pel = Pshaft/ηmotor
Hauteur manométrique de la pompe
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Pertes du réseau
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Conduction thermique
Loi de Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Résistance de conduction
R = L/(kA)
Résistance de convection
R = 1/(hA)
Résistances en série
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Coefficient U
U = 1/(ΣR·A)
Engrenages et trains d’engrenages
Roues en prise
n1·N1 = n2·N2
Couple
T2 = T1·(N2/N1)·η
Puissance
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Train composé
rapport total = produit des rapports de chaque étage
Erreur en régime permanent et commande PID
Classe du système
nombre de pôles de G(s) en s = 0
Constantes d’erreur
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Échelon A
ess = A/(1 + Kp)
Rampe A·t
ess = A/Kv
Parabole A·t²/2
ess = A/Ka
Régulateur PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Cible du second ordre
s² + 2ζωns + ωn²
Dépassement et temps de réponse
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Méthode
Comptez les pôles de la boucle ouverte C(s)·G(s) en s = 0 : c’est la classe du système.
Calculez la constante d’erreur qui correspond à l’entrée : Kp pour un échelon, Kv pour une rampe, Ka pour une parabole.
Appliquez ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou résolvez pour le gain nécessaire.
Pour une spécification d’amortissement ou de vitesse, écrivez le polynôme caractéristique en boucle fermée et identifiez-le à s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Exercices
1.Réactions d’appui des poutresMoyen
La poutre sur deux appuis a une articulation en A et un appui simple en B. Trouvez la réaction verticale RB.
L = 10 mP1 = 30 kN à 1 mP2 = 55 kN à 6 m
RB = kN
2.Réactions d’appui des poutresDifficile
Une poutre composée est encastrée dans le mur en A, comporte une articulation interne en C (à 3,5 m de A) et repose sur un appui simple en D (à 6 m de A). Elle porte une charge ponctuelle P à 5,5 m de A et une charge ponctuelle Q à 0,5 m de A. Trouvez la valeur absolue du moment d’encastrement MA au mur.
AC = 3,5 mAD = 6 mP = 50 kN à 5,5 mQ = 25 kN à 0,5 m
MA = kN·m
3.Contrainte et déformation axialesMoyen
Trouvez l’allongement δ de la barre en acier sous l’effort axial.
P = 20 kNd = 12 mmL = 3 mE = 200 GPa
δ = mm
4.Contrainte et déformation axialesDifficile
La barre étagée est encastrée dans le mur et chargée à son extrémité libre. Trouvez la contrainte normale maximale σmax dans la barre.
P = 55 kNtronçon 1 : Ø30 mm, 1,5 m, aluminium (E = 70 GPa)tronçon 2 : Ø20 mm, 1 m, aluminium (E = 70 GPa)
σmax = MPa
5.Torsion des arbresMoyen
Un arbre plein étagé en laiton est encastré en A. Le tronçon AB a un diamètre de 30 mm et une longueur de 1,2 m ; le tronçon BC a un diamètre de 20 mm et une longueur de 2 m. Un couple de 250 N·m agit à l’extrémité libre C. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.
T = 250 N·md1 = 30 mm, L1 = 1,2 md2 = 20 mm, L2 = 2 m
τmax = MPa
6.Torsion des arbresDifficile
Un arbre plein en laiton de diamètre 50 mm est encastré en A. Un couple de 250 N·m agit en B, à 1,2 m de A, et un couple de 1000 N·m de sens opposé agit à l’extrémité libre C, 0,5 m plus loin. Trouvez la valeur absolue de l’angle de torsion φC de l’extrémité C, en degrés.
d = 50 mmTB = 250 N·mTC = 1000 N·mAB = 1,2 mBC = 0,5 mG = 39 GPa
φC = °
7.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
Trouvez le moment fléchissant Mx dans la section x = 3,5 m à partir de l’appui A. Comptez positif un moment qui fait fléchir la poutre vers le bas et un effort tranchant vers le haut sur la face gauche.
L = 6 mw = 2 kN/m de 0 à 6 mx = 3,5 m
Mx = kN·m
8.Effort tranchant et moment fléchissantDifficile
La poutre sur deux appuis porte une charge uniformément répartie w sur toute sa portée et une charge ponctuelle P. Trouvez le moment fléchissant maximal Mmax dans la poutre.
L = 4 mP = 30 kN à 3 mw = 12 kN/m de 0 à 4 m
Mmax = kN·m
9.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
En un point d’une pièce chargée, σₓ = 60 MPa, σᵧ = 30 MPa et τₓᵧ = 40 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement maximale dans le plan τmax.
σx = 60 MPaσy = 30 MPaτxy = 40 MPa
τmax = MPa
10.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
Un réservoir cylindrique à paroi mince, de diamètre intérieur 400 mm et d’épaisseur de paroi 5 mm, contient un gaz à une pression relative de 0,5 MPa. Il est réalisé en tôle soudée le long d’un cordon hélicoïdal incliné de 40° par rapport à l’axe du cylindre. Trouvez la contrainte normale σn qui agit perpendiculairement au cordon de soudure.
D = 400 mmt = 5 mmp = 0,5 MPaα = 40°
σn = MPa
11.Flèche d’une poutreMoyen
Une console porte une charge uniformément répartie w sur toute sa longueur. Trouvez la flèche δ à l’extrémité libre.
w = 8 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (acier)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
12.Flèche d’une poutreDifficile
Une poutre sur deux appuis porte une charge uniformément répartie w. Sa flèche ne doit pas dépasser portée/360. Trouvez le moment quadratique minimal Ireq qui respecte cette limite.
w = 5 kN/mL = 1,5 mE = 11 GPa (bois de structure)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
13.Flambement des poteauxMoyen
Un poteau de longueur L en acier est articulé aux deux extrémités. Avec la formule d’Euler, trouvez sa charge critique de flambement Pcr.
L = 4 mE = 200 GPa (acier)d = 40 mm
Pcr = kN
14.Flambement des poteauxDifficile
Un poteau plein circulaire de longueur L en acier est encastré en pied et articulé en tête. Il doit porter 110 kN avec un coefficient de sécurité de 2,5 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.
P = 110 kNn = 2,5L = 4 mE = 200 GPa (acier)
d = mm
15.Mouvement d’un projectileMoyen
Une balle est lancée depuis un sol horizontal à 40 m/s et doit retomber à 150 m. Négligez la résistance de l’air et prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le plus petit des deux angles de tir possibles θ.
v₀ = 40 m/sR = 150 mg = 9,81 m/s²
θ = °
16.Mouvement d’un projectileDifficile
Une balle est lancée à 55° au-dessus de l’horizontale du haut d’une falaise de 15 m. Négligez la résistance de l’air. Trouvez la durée du vol t jusqu’à ce que la balle touche le sol.
v0 = 19 m/sθ = 55°h = 15 mg = 9,81 m/s²
t = s
17.Travail et énergieMoyen
Un lanceur jouet comporte un ressort vertical de raideur 200 N/m. On y place une balle de 0,05 kg, on comprime le ressort de 4 cm, puis on le relâche. En négligeant la résistance de l’air et la masse du ressort, trouvez la hauteur h à laquelle monte la balle, mesurée depuis sa position ressort comprimé.
m = 0,05 kgk = 200 N/mx = 4 cmg = 9,81 m/s²
h = m
18.Travail et énergieDifficile
Un bloc de 2,5 kg est lâché sans vitesse à une hauteur de 1 m sur une rampe lisse. En bas, il traverse une bande horizontale rugueuse de 1 m (μ = 0,1) puis heurte un ressort (k = 2000 N/m) sur une surface lisse. Trouvez la vitesse v du bloc quand il atteint le ressort.
m = 2,5 kgh = 1 mL = 1 mμ = 0,1k = 2000 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
19.Vibrations mécaniquesMoyen
Lors d’un essai de vibrations libres d’un système masse–ressort amorti, un pic de déplacement de 50 mm est suivi, 4 cycles plus tard, d’un pic de 18,3 mm. Trouvez le taux d’amortissement ζ.
x0 = 50 mmx4 = 18,3 mmn = 4
ζ =
20.Vibrations mécaniquesDifficile
Une masse de 25 kg est suspendue à deux ressorts reliés bout à bout (en série) : le ressort du haut a k₁ = 80 kN/m et celui du bas k₂ = 10 kN/m. Trouvez la raideur équivalente keq du système de ressorts, en kN/m.
m = 25 kgk1 = 80 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m
21.Moteurs thermiques et réfrigérateursMoyen
Un réfrigérateur réversible maintient une chambre froide à 0 °C en extrayant 4 kW de chaleur, et rejette de la chaleur vers l’environnement à 28 °C. Trouvez la puissance thermique Q̇H qu’il rejette.
TL = 0 °CTH = 28 °CQ̇L = 4 kW
Q̇H = kW
22.Moteurs thermiques et réfrigérateursDifficile
Un réfrigérateur maintient son compartiment à -20 °C dans une cuisine à 35 °C, en extrayant la chaleur du compartiment à raison de 4 kW. Trouvez le coefficient de performance maximal possible COPmax.
TH = 35 °CTL = -20 °CQ̇L = 4 kW
COPmax =
23.Cycles moteurs à gazMoyen
Un cycle Diesel idéal a un rapport volumétrique r = 18 et un rapport d’injection rc = v₃/v₂ = 2,2. Au début de la compression, l’air est à 320 K. Utilisez les hypothèses de l’air standard froid : l’air est un gaz parfait à capacités thermiques constantes, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) et cv = 0,718 kJ/(kg·K). Trouvez la température T3 à la fin de l’apport de chaleur, en K.
r = 18rc = 2,2T1 = 320 Kk = 1,4
T3 = K
24.Cycles moteurs à gazDifficile
Un cycle de Brayton idéal fonctionne avec un rapport de pression au compresseur de 14. Utilisez les hypothèses de l’air standard froid : l’air est un gaz parfait à capacités thermiques constantes, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) et cv = 0,718 kJ/(kg·K). Trouvez son rendement thermique η en pourcentage.
rp = 14k = 1,4
η = %
25.Continuité et BernoulliMoyen
De l’eau s’écoule d’un grand réservoir ouvert par un orifice à arête vive de 40 mm de diamètre. Le niveau d’eau est maintenu à 5 m au-dessus de l’orifice et le coefficient de débit vaut 0,61. Trouvez le débit Q. Prenez g = 9,81 m/s².
d = 40 mmh = 5 mCd = 0,61g = 9,81 m/s²
Q = L/s
26.Continuité et BernoulliDifficile
L’eau monte dans une conduite qui se rétrécit de 75 mm à 25 mm en s’élevant de 5 m. En section 1, la pression vaut 260 kPa et la vitesse 1 m/s. En négligeant les pertes, trouvez la pression p2 en section 2.
27.Frottement en conduite et pertes de chargeMoyen
De l’eau (ρ = 1000 kg/m³) s’écoule à 3 m/s dans une conduite horizontale de 1000 m de long et de diamètre intérieur 75 mm. Prenez le coefficient de frottement de Darcy f = 0,028 et g = 9,81 m/s². Trouvez la chute de pression Δp le long de la conduite, en kPa.
28.Frottement en conduite et pertes de chargeDifficile
Une conduite de 200 m de long et de diamètre intérieur 250 mm (coefficient de frottement de Darcy f = 0,022) part d’un réservoir à l’air libre et débouche à l’air libre en jet. Les pertes de charge singulières sont dues à une entrée à arête vive (K = 0,5), 2 coudes (K = 0,3 chacun) et une vanne (K = 5). Prenez g = 9,81 m/s². De combien H la surface du réservoir doit-elle être au-dessus de la sortie de la conduite pour un débit de 80 L/s ?
Lors d’un essai, une pompe débite 25 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) sous une hauteur manométrique de 56 m tandis que son arbre absorbe 19,1 kW. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez le rendement de la pompe η en pourcentage.
Q = 25 L/sH = 56 mPshaft = 19,1 kWg = 9,81 m/s²
η = %
30.Pompes et puissance de pompageDifficile
Une pompe refoule 75 L/s d’eau (ρ = 1000 kg/m³) d’un réservoir inférieur à l’air libre vers un réservoir supérieur dont la surface libre est 5 m plus haut. La conduite mesure 300 m de long, a un diamètre intérieur de 200 mm et un coefficient de frottement de Darcy f = 0,02 ; les coefficients de pertes singulières totalisent ΣK = 3 (entrée et sortie comprises). Prenez g = 9,81 m/s². Le réservoir supérieur est fermé et l’air au-dessus de l’eau est à une pression relative de 100 kPa. Trouvez la hauteur manométrique H que doit fournir la pompe.
Un mur est composé de 100 mm de plaque de plâtre et de 75 mm de brique, avec une surface de 8 m². Les faces extérieures sont à 22 °C et -11 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.
L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 22 °CT3 = -11 °C
Ti = °C
32.Conduction thermiqueDifficile
Un mur de 100 mm de brique et 25 mm de laine minérale sépare une pièce à 22 °C de l’air extérieur à 4 °C. Les coefficients de convection valent 7,7 W/(m²·K) à l’intérieur et 20 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 10 m². Trouvez la température Ts de la face intérieure du mur.
L1 = 100 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 10 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 4 °C
Ts = °C
33.Engrenages et trains d’engrenagesMoyen
Une vis sans fin à 2 filet(s) tourne à 960 tr/min et entraîne une roue de 50 dents. Trouvez la vitesse de rotation nw de la roue.
z = 2Nw = 50n = 960 rpm
nw = rpm
34.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
Dans un train d’engrenages composé, la roue A (45 dents) sur l’arbre d’entrée tourne à 2880 tr/min et entraîne la roue B (48 dents). La roue C (18 dents) est solidaire du même arbre que B et entraîne la roue D sur l’arbre de sortie. La sortie doit tourner à 1620 tr/min. Combien de dents ND la roue D doit-elle avoir ?
nin = 2880 rpmA = 45B = 48C = 18nout = 1620 rpm
ND =
35.Transformées de LaplaceMoyen
F(s) = (6s + 31)/(s² + 8s + 15). Sa transformée inverse a la forme f(t) = A·e−3t + B·e−5t. Trouvez le coefficient A par décomposition en éléments simples.
F(s) = (6s + 31)/(s² + 8s + 15)
A =
36.Transformées de LaplaceDifficile
Un système obéit à y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t), avec y(0) = 5 et y′(0) = 0. À t = 0, on applique un échelon d’entrée u(t) = 2. Utilisez la transformée de Laplace pour trouver y(0,3).
Le système G(s) = K/((s + 11)(s + 12)) est dans une boucle à retour unitaire négatif. Trouvez le gain K pour lequel la boucle fermée est à amortissement critique (deux pôles réels égaux).
Le système G(s) = 36/(s(s + 8)) est dans une boucle de rétroaction négative avec un capteur de gain H = 2. Les pôles en boucle fermée sont complexes. Trouvez leur partie réelle σ.
G(s) = 36/(s(s + 8))H = 2
σ =
39.Réponse indicielleMoyen
Un système a pour fonction de transfert G(s) = 12/(s² + 3s + 4) et reçoit un échelon unitaire. Les pôles sont s = σ ± jωd. Trouvez la partie réelle σ.
G(s) = 12/(s² + 3s + 4)
σ =
40.Réponse indicielleDifficile
Un circuit RLC série avec R = 268 Ω, L = 500 mH et C = 10 µF est relié à un échelon de 24 V à t = 0. Le condensateur est déchargé et aucun courant ne circule avant l’échelon. Trouvez la pulsation propre non amortie ωn en rad/s.
R = 268 ΩL = 500 mHC = 10 µFV = 24 V
ωn = rad/s
41.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
L’entrée r(t) = 10 + 4t (un échelon plus une rampe) est appliquée à une boucle à retour unitaire avec G(s) = 2/(s(s + 4)). Trouvez l’erreur en régime permanent ess.
G(s) = 2/(s(s + 4))r(t) = 10 + 4t
ess =
42.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
Un régulateur PD C(s) = 25 + Kd·s commande le procédé G(s) = 5/(s(s + 1)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez le gain dérivé Kd qui donne à la boucle fermée un coefficient d’amortissement ζ = 0,5.
G(s) = 5/(s(s + 1))Kp = 25ζ = 0,5
Kd = s
3Solutions
1.Réactions d’appui des poutres
Réponse: RB = 36 kN
Équilibre statique : un corps au repos vérifie ΣFx = 0, ΣFy = 0 et ΣM = 0 par rapport à tout point. Prendre les moments par rapport à un appui élimine sa réaction de l’équation.
Schéma du corps libre
Remplacez les appuis par des réactions. Un appui simple donne une réaction verticale ; avec des charges uniquement verticales, l’articulation ne donne aussi qu’une réaction verticale.
Équilibre
Moments par rapport à A, positifs dans le sens antihoraire. Puis équilibre des forces verticales.
ΣMA = 0: RB·10 = 30·1 + 55·6
RB = 360/10 = 36 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 36 = 49 kN
Réponse
RB = 36 kN
2.Réactions d’appui des poutres
Réponse: MA = 47,5 kN·m
Équilibre statique : un corps au repos vérifie ΣFx = 0, ΣFy = 0 et ΣM = 0 par rapport à tout point. Remplacez chaque charge répartie par sa résultante (son aire) appliquée au centre de gravité du diagramme de charge, et prenez les moments par rapport à un appui pour éliminer la réaction de cet appui de l’équation. Une articulation interne ne peut pas transmettre de moment fléchissant, ce qui donne une équation supplémentaire : le moment par rapport à l’articulation des forces de chaque côté est nul.
Partie CD
L’articulation ne transmet pas de moment, donc les moments par rapport à C sur la seule partie CD doivent s’équilibrer.
ΣMC = 0: RD·2,5 = 50·2
RD = 40 kN
VC = 50 − 40 = 10 kN
Partie AC
L’effort de l’articulation VC agit vers le bas sur AC (égal et opposé à son action sur CD).
RA = 25 + 10 = 35 kN
MA = 25·0,5 + 10·3,5 = 47,5 kN·m
Réponse
MA = 47,5 kN·m
3.Contrainte et déformation axiales
Réponse: δ = 2,653 mm
Loi de Hooke : dans le domaine élastique, σ = E·ε. Avec σ = P/A et ε = δ/L, on obtient δ = PL/(AE).
Contrainte
A = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 20·1000/113,1 = 176,8 MPa
Déformation (loi de Hooke)
E for acier = 200 GPa = 200000 MPa.
ε = σ/E = 176,8/200000 = 0,0008842 = 884,2 µε
Allongement
δ = ε·L = 0,0008842·3000 mm = 2,653 mm
Réponse
δ = 2,653 mm
4.Contrainte et déformation axiales
Réponse: σmax = 175,1 MPa
Éléments en charge axiale : chaque tronçon prismatique vérifie δ = PL/(AE). Pour des tronçons en série, les allongements s’additionnent.
Même effort dans les deux tronçons
L’extrémité libre porte P, donc chaque section de la barre transmet le même effort normal P. Seules les aires et les matériaux changent.
Le tronçon le plus fin a la plus petite aire, donc il porte la plus grande contrainte.
σmax = 175,1 MPa
Réponse
σmax = 175,1 MPa
5.Torsion des arbres
Réponse: τmax = 159,2 MPa
Torsion des arbres circulaires : la contrainte de cisaillement croît linéairement de zéro au centre jusqu’à τmax = T·r/J en surface, avec J = πd⁴/32 pour un arbre plein et J = π(do⁴ − di⁴)/32 pour un arbre creux. L’angle de torsion vaut φ = TL/(GJ) en radians. Puissance et couple sont liés par P = T·ω.
Contrainte dans chaque tronçon
T = 250 N·m = 250000 N·mm
τAB = 16·250000/(π·30³) = 47,16 MPa
τBC = 16·250000/(π·20³) = 159,2 MPa
Réponse
τmax = 159,2 MPa
6.Torsion des arbres
Réponse: φC = 3,352 °
Torsion des arbres circulaires : la contrainte de cisaillement croît linéairement de zéro au centre jusqu’à τmax = T·r/J en surface, avec J = πd⁴/32 pour un arbre plein et J = π(do⁴ − di⁴)/32 pour un arbre creux. L’angle de torsion vaut φ = TL/(GJ) en radians. Puissance et couple sont liés par P = T·ω.
Méthode des coupures : coupez la poutre là où vous voulez les efforts internes et gardez un côté. L’effort tranchant V équilibre les forces verticales de ce côté, et le moment fléchissant M équilibre leurs moments par rapport à la coupe.
Réactions d’appui
Équilibre de toute la poutre.
Résultante de la charge répartie : W = w·ℓ = 2·6 = 12 kN, appliquée en x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 2·6·3
RB = 36/6 = 6 kN
ΣFy = 0: RA = 12 − 6 = 6 kN
Couper en x = 3,5 m et garder la partie gauche
Seules les forces à gauche de la coupe apparaissent. Une portion de charge répartie agit comme une force au milieu de cette portion.
M = RA·x − (chaque charge à gauche de la coupe × sa distance à la coupe)
Mx = 6·3,5 − 2·3,5·1,75 = 8,75 kN·m
Réponse
Mx = 8,75 kN·m
8.Effort tranchant et moment fléchissant
Réponse: Mmax = 41,34 kN·m
Méthode des coupures : coupez la poutre là où vous voulez les efforts internes et gardez un côté. L’effort tranchant V équilibre les forces verticales de ce côté, et le moment fléchissant M équilibre leurs moments par rapport à la coupe. Moment maximal : comme dM/dx = V, le moment fléchissant atteint son maximum là où l’effort tranchant s’annule, soit sous une charge ponctuelle, soit à l’intérieur d’une charge répartie.
Réactions d’appui
Équilibre de toute la poutre.
Résultante de la charge répartie : W = w·ℓ = 12·4 = 48 kN, appliquée en x̄ = 2 m
9.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes
Réponse: τmax = 42,72 MPa
Changement de repère en contraintes planes : sur une facette tournée de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Le cercle de Mohr représente toutes les facettes à la fois : son centre est en C = (σₓ + σᵧ)/2 et son rayon vaut R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Les contraintes principales valent C ± R, et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.
Rayon du cercle de Mohr
τmax = R = √(((60 − 30)/2)² + 40²) = 42,72 MPa
Réponse
τmax = 42,72 MPa
10.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes
Réponse: σn = 15,87 MPa
Changement de repère en contraintes planes : sur une facette tournée de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Le cercle de Mohr représente toutes les facettes à la fois : son centre est en C = (σₓ + σᵧ)/2 et son rayon vaut R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Les contraintes principales valent C ± R, et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R. Cylindre à paroi mince : contrainte circonférentielle σh = pr/t et contrainte axiale σa = pr/(2t) ; ce sont les contraintes principales dans la paroi.
Contraintes dans la paroi
r = 400/2 = 200 mm
σh = pr/t = 0,5·200/5 = 20 MPa
σa = pr/(2t) = 10 MPa
Projeter sur le cordon
Prenez x le long de l’axe (σa) et y selon la circonférence (σh). La normale au cordon fait 90° − α avec l’axe.
σn = 10·sin²40° + 20·cos²40° = 15,87 MPa
Réponse
σn = 15,87 MPa
11.Flèche d’une poutre
Réponse: δ = 17,61 mm
Flèche des poutres : les flèches s’obtiennent en intégrant deux fois la courbure M/(EI). Les cas courants sont tabulés, par exemple PL³/(3EI) pour une console avec charge en bout et 5wL⁴/(384EI) pour une poutre sur deux appuis sous charge uniforme. Les flèches dues à des charges différentes s’additionnent (superposition).
Unités cohérentes
Travaillez en N et mm : P en N, w en N/mm (kN/m = N/mm), L en mm, E en N/mm² (GPa × 1000), I en mm⁴.
w = 8 N/mm, L = 3000 mm
EI = 4,6 × 10¹² N·mm²
Flèche
δ = wL⁴/(8EI) = 8·3000⁴/(8·4,6 × 10¹²) = 17,61 mm
Réponse
δ = 17,61 mm
12.Flèche d’une poutre
Réponse: Ireq = 7,191 × 10⁶ mm⁴
Flèche des poutres : les flèches s’obtiennent en intégrant deux fois la courbure M/(EI). Les cas courants sont tabulés, par exemple PL³/(3EI) pour une console avec charge en bout et 5wL⁴/(384EI) pour une poutre sur deux appuis sous charge uniforme. Les flèches dues à des charges différentes s’additionnent (superposition).
Flèche admissible
δallow = L/360 = 1500/360 = 4,167 mm
Moment quadratique nécessaire
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·5·1500⁴/(384·11000·4,167) = 7,191 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 7,191 × 10⁶ mm⁴
Réponse
Ireq = 7,191 × 10⁶ mm⁴
13.Flambement des poteaux
Réponse: Pcr = 15,5 kN
Flambement d’Euler : un poteau élancé devient instable à Pcr = π²EI/(KL)², où KL est la longueur de flambement : K = 1 pour articulé–articulé, 2 pour encastré–libre, 0,7 pour encastré–articulé et 0,5 pour encastré–encastré. Il flambe autour de l’axe ayant le plus petit I. La formule vaut pour les poteaux élancés, dont la contrainte critique reste sous la limite d’élasticité.
Plus petit moment quadratique
Une section circulaire a le même I par rapport à tout axe.
Flambement d’Euler : un poteau élancé devient instable à Pcr = π²EI/(KL)², où KL est la longueur de flambement : K = 1 pour articulé–articulé, 2 pour encastré–libre, 0,7 pour encastré–articulé et 0,5 pour encastré–encastré. Il flambe autour de l’axe ayant le plus petit I. La formule vaut pour les poteaux élancés, dont la contrainte critique reste sous la limite d’élasticité.
Charge critique nécessaire
Pcr = n·P = 2,5·110000 = 275000 N
KL = 0,7·4000 = 2800 mm
Isoler le diamètre
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·275000·2800²/(π³·200000))^(1/4) = 68,68 mm
Réponse
d = 68,68 mm
Vérification : l’élancement KL/r vaut 163,1, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.
15.Mouvement d’un projectile
Réponse: θ = 33,44 °
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Formule de la portée
R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·150/40² = 0,9197
Angle
2θ = 66,88° → θ = 33,44°
Réponse
θ = 33,44°
L’autre solution est 90° − θ = 56,56°.
16.Mouvement d’un projectile
Réponse: t = 3,948 s
Mouvement d’un projectile : sans résistance de l’air, x = vxt et y = h + vyt − ½gt². Les deux directions sont indépendantes, sauf qu’elles partagent le même temps.
Décomposer la vitesse de lancement
La vitesse horizontale reste constante ; le mouvement vertical a une accélération constante g = 9,81 m/s² vers le bas.
vx = v0·cos θ = 19·cos 55° = 10,9 m/s
vy = v0·sin θ = 19·sin 55° = 15,56 m/s
Durée du vol
Résolvez y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 et prenez la racine positive.
0 = 15 + 15,56·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (15,56 + √(242,2 + 294,3))/9,81 = 3,948 s
Réponse
t = 3,948 s
17.Travail et énergie
Réponse: h = 0,3262 m
Théorème de l’énergie cinétique : la variation d’énergie cinétique égale le travail de toutes les forces. En écrivant la pesanteur et les ressorts sous forme d’énergie potentielle (mgh et ½kx²), on obtient un bilan : énergie initiale = énergie finale + énergie perdue par frottement (μN·d).
Énergie du ressort
x = 4 cm = 0,04 m
½kx² = ½·200·0,04² = 0,16 J
Hauteur
m·g = 0,05·9,81 = 0,4905 N
h = ½kx²/(mg) = 0,16/0,4905 = 0,3262 m
Réponse
h = 0,3262 m
18.Travail et énergie
Réponse: v = 4,202 m/s
Théorème de l’énergie cinétique : la variation d’énergie cinétique égale le travail de toutes les forces. En écrivant la pesanteur et les ressorts sous forme d’énergie potentielle (mgh et ½kx²), on obtient un bilan : énergie initiale = énergie finale + énergie perdue par frottement (μN·d).
Énergie restant après la bande rugueuse
La rampe est lisse, donc seule la bande retire de l’énergie.
mgh − μmgL = 24,53·(1 − 0,1·1) = 22,07 J
Vitesse au ressort
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·0,9) = 4,202 m/s
Réponse
v = 4,202 m/s
19.Vibrations mécaniques
Réponse: ζ = 0,03996
Vibrations libres d’un système masse–ressort : la pulsation propre non amortie vaut ωn = √(k/m) en rad/s, et fn = ωn/(2π) en Hz. Un amortisseur visqueux c donne le taux d’amortissement ζ = c/cc, avec l’amortissement critique cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un système sous-amorti (ζ < 1) oscille à ωd = ωn·√(1 − ζ²). Des ressorts en parallèle s’additionnent, k = k₁ + k₂ ; des ressorts en série s’additionnent par leurs inverses, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Vibrations libres d’un système masse–ressort : la pulsation propre non amortie vaut ωn = √(k/m) en rad/s, et fn = ωn/(2π) en Hz. Un amortisseur visqueux c donne le taux d’amortissement ζ = c/cc, avec l’amortissement critique cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un système sous-amorti (ζ < 1) oscille à ωd = ωn·√(1 − ζ²). Des ressorts en parallèle s’additionnent, k = k₁ + k₂ ; des ressorts en série s’additionnent par leurs inverses, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Raideur équivalente
Des ressorts en série subissent la même force et leurs allongements s’additionnent ; ils se combinent donc par leurs inverses : 1/k = 1/k1 + 1/k2.
Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.
Températures absolues
TH = 28 + 273,15 = 301,1 K
TL = 0 + 273,15 = 273,1 K
Rapport des chaleurs en réversible
Q̇H = Q̇L·TH/TL = 4·301,1/273,1 = 4,41 kW
Réponse
Q̇H = 4,41 kW
Puissance consommée : Ẇ = 0,41 kW.
22.Moteurs thermiques et réfrigérateurs
Réponse: COPmax = 4,603
Limites du second principe : aucun cycle entre des sources aux températures absolues TH et TL ne peut battre le cycle réversible (de Carnot) : ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) et COPHP,max = TH/(TH − TL). L’énergie est toujours conservée : QH = W + QL.
Cycle Diesel (moteur à allumage par compression) : 1→2 compression isentropique, 2→3 apport de chaleur à pression constante, 3→4 détente isentropique, 4→1 rejet de chaleur à volume constant. Avec le rapport volumétrique r = v₁/v₂ et le rapport d’injection rc = v₃/v₂ : T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) et η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1)).
Fin de compression
T2 = 320·180,4 = 1017 K
Apport de chaleur à pression constante
T3 = rc·T2 = 2,2·1017 = 2237 K
Réponse
T3 = 2237 K
24.Cycles moteurs à gaz
Réponse: η = 52,95 %
Cycle de Brayton (turbine à gaz) : 1→2 compression isentropique, 2→3 apport de chaleur à pression constante, 3→4 détente isentropique dans la turbine, 4→1 rejet de chaleur à pression constante. Avec le rapport de pression rp = P₂/P₁ : T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k et η = 1 − 1/rp(k−1)/k. Travail net w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Avec les rendements isentropiques, le compresseur demande ws/ηc et la turbine fournit ηt·ws.
Rendement thermique
η = 1 − 1/140,2857 = 1 − 1/2,126 = 52,95%
Réponse
η = 52,95%
25.Continuité et Bernoulli
Réponse: Q = 7,592 L/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Vitesse idéale du jet
√(2gh) = √(2·9,81·5) = 9,905 m/s
Débit réel
Le coefficient de débit tient compte de la contraction du jet et du frottement sur l’arête.
Continuité et Bernoulli : pour un fluide incompressible, le débit est le même dans toutes les sections, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Le long d’une ligne de courant sans pertes, p + ½ρv² + ρgz est constant, donc là où le fluide va plus vite ou plus haut, sa pression est plus faible.
Continuité et Bernoulli
Travaillez en Pa, puis divisez par 1000 pour obtenir des kPa.
Écoulement en conduite : le nombre de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue l’écoulement laminaire (Re inférieur à environ 2000) de l’écoulement turbulent (au-dessus d’environ 4000). Le frottement le long d’une conduite provoque la perte de charge de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Les raccords, les vannes, l’entrée et la sortie ajoutent des pertes de charge singulières hm = ΣK·V²/(2g). Entre les surfaces libres de deux réservoirs, l’équation de l’énergie donne Δz = hf + hm, perte de sortie K = 1 comprise.
Perte de charge
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(1000/0,075)·3²/(2·9,81) = 171,3 m
Chute de pression
La conduite est horizontale et la vitesse ne change pas ; l’équation de l’énergie se réduit donc à Δp = ρ·g·hf.
Écoulement en conduite : le nombre de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue l’écoulement laminaire (Re inférieur à environ 2000) de l’écoulement turbulent (au-dessus d’environ 4000). Le frottement le long d’une conduite provoque la perte de charge de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Les raccords, les vannes, l’entrée et la sortie ajoutent des pertes de charge singulières hm = ΣK·V²/(2g). Entre les surfaces libres de deux réservoirs, l’équation de l’énergie donne Δz = hf + hm, perte de sortie K = 1 comprise.
Vitesse
V = Q/A = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s
V²/(2g) = 0,1354 m
Coefficients de perte de charge
f·L/D = 0,022·200/0,25 = 17,6
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 = 6,1
Équation de l’énergie
Le jet de sortie emporte encore sa hauteur cinétique ; ce n’est pas une perte, mais elle doit être fournie.
H = (1 + 17,6 + 6,1)·0,1354 = 3,344 m
Réponse
H = 3,344 m
29.Pompes et puissance de pompage
Réponse: η = 71,91 %
Puissance d’une pompe : la puissance transmise à l’eau est la puissance hydraulique Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’arbre doit fournir davantage, car la pompe a des pertes : Pshaft = Ph/ηpump, et le moteur absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La hauteur manométrique H découle de l’équation de l’énergie : hauteur géométrique + hauteur de pression + toutes les pertes de charge par frottement et singulières.
Puissance hydraulique
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,025·56 = 13,73 kW
Rendement
η = Ph/Pshaft = 13,73/19,1 = 71,91%
Réponse
η = 71,91%
30.Pompes et puissance de pompage
Réponse: H = 24,78 m
Puissance d’une pompe : la puissance transmise à l’eau est la puissance hydraulique Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’arbre doit fournir davantage, car la pompe a des pertes : Pshaft = Ph/ηpump, et le moteur absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La hauteur manométrique H découle de l’équation de l’énergie : hauteur géométrique + hauteur de pression + toutes les pertes de charge par frottement et singulières.
Les deux surfaces sont pratiquement au repos ; il n’y a donc pas de terme de hauteur cinétique.
H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 5 + 10,19 + 9,586 = 24,78 m
Réponse
H = 24,78 m
31.Conduction thermique
Réponse: Ti = −6,035 °C
Résistance thermique : un flux de chaleur stationnaire à travers des couches en série se comporte comme un courant dans des résistances en série : Q̇ = ΔT/ΣR, avec R = L/(kA) pour une couche conductrice et R = 1/(hA) pour une surface avec convection. La chute de température dans chaque couche est proportionnelle à sa résistance.
Résistances des couches
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·8) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·8) = 0,01302 K/W
Flux de chaleur
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 33/0,08655 = 381,3 W
Température à l’interface
La température baisse de Q̇·R₁ dans la première couche.
Ti = T1 − Q̇·R1 = 22 − 381,3·0,07353 = −6,035 °C
Réponse
Ti = −6,035 °C
32.Conduction thermique
Réponse: Ts = 19,52 °C
Résistance thermique : un flux de chaleur stationnaire à travers des couches en série se comporte comme un courant dans des résistances en série : Q̇ = ΔT/ΣR, avec R = L/(kA) pour une couche conductrice et R = 1/(hA) pour une surface avec convection. La chute de température dans chaque couche est proportionnelle à sa résistance.
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
Vitesse de la roue
nw = n·z/Nw = 960·2/50 = 38,4 rpm
Réponse
nw = 38,4 rpm
34.Engrenages et trains d’engrenages
Réponse: ND = 30
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
Vitesse de l’arbre intermédiaire
nB = nC = 2880·45/48 = 2700 rpm
Dents de la roue D
ND = C·nC/nout = 18·2700/1620 = 30
Réponse
ND = 30
35.Transformées de Laplace
Réponse: A = 6,5
Transformée de Laplace : F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforme les dérivées en multiplications par s : ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Couples usuels : 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), et un décalage s → s + σ multiplie la fonction du temps par e−σt. Pour inverser une F(s) rationnelle, décomposez-la en éléments simples : le résidu d’un pôle simple p est A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Théorème de la valeur finale : f(∞) = lims→0 s·F(s), valable seulement si tous les pôles de s·F(s) sont dans le demi-plan gauche. Théorème de la valeur initiale : f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Factoriser le dénominateur
s² + 8s + 15 = (s + 3)(s + 5)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 5)
Méthode des résidus
Multipliez par (s + 3) et posez s = −3 : le terme en B disparaît.
A = (6s + 31)/(s + 5) |s = −3 = 13/2 = 6,5
Réponse
A = 6,5
(B = −0,5, donc f(t) = 6,5·e−3t − 0,5·e−5t)
36.Transformées de Laplace
Réponse: y(0.3) = 5,276
Transformée de Laplace : F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforme les dérivées en multiplications par s : ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Couples usuels : 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), et un décalage s → s + σ multiplie la fonction du temps par e−σt. Pour inverser une F(s) rationnelle, décomposez-la en éléments simples : le résidu d’un pôle simple p est A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Théorème de la valeur finale : f(∞) = lims→0 s·F(s), valable seulement si tous les pôles de s·F(s) sont dans le demi-plan gauche. Théorème de la valeur initiale : f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transformer l’équation
(s² + 4s + 3)·Y(s) = 5s + 20 + 24/s
Y(s) = (5s² + 20s + 24)/(s(s + 1)(s + 3))
Décomposition en éléments simples
A = 24/(1·3) = 8
B = 9/((−1)·2) = −4,5
C = 9/((−3)·(−2)) = 1,5
Résultat
y(t) = 8 − 4,5·e−t + 1,5·e−3t
y(0,3) = 5,276
Réponse
y(0,3) = 5,276
Vérification : y(0) = A + B + C = 5.
37.Schémas fonctionnels
Réponse: K = 0,25
Algèbre des schémas fonctionnels : les blocs en série se multiplient (G₁·G₂), les blocs en parallèle s’additionnent (G₁ + G₂), et une boucle avec chaîne directe G et chaîne de retour H se réduit à T = G/(1 + G·H) pour une rétroaction négative et G/(1 − G·H) pour une rétroaction positive. Réduisez d’abord les boucles intérieures, puis progressez vers l’extérieur. Les pôles en boucle fermée sont les racines de l’équation caractéristique 1 + G(s)H(s) = 0. Pour une boucle stable, une entrée en échelon d’amplitude A donne la sortie en régime permanent A·T(0) ; avec un retour unitaire, l’erreur statique à un échelon est A/(1 + Kp) avec Kp = G(0).
Un trinôme s² + βs + γ a une racine double quand β² = 4γ.
23² = 4(132 + K) → K = 529/4 − 132 = 0,25
Réponse
K = 0,25
Les deux pôles en boucle fermée sont alors en s = −11,5.
38.Schémas fonctionnels
Réponse: σ = −4
Algèbre des schémas fonctionnels : les blocs en série se multiplient (G₁·G₂), les blocs en parallèle s’additionnent (G₁ + G₂), et une boucle avec chaîne directe G et chaîne de retour H se réduit à T = G/(1 + G·H) pour une rétroaction négative et G/(1 − G·H) pour une rétroaction positive. Réduisez d’abord les boucles intérieures, puis progressez vers l’extérieur. Les pôles en boucle fermée sont les racines de l’équation caractéristique 1 + G(s)H(s) = 0. Pour une boucle stable, une entrée en échelon d’amplitude A donne la sortie en régime permanent A·T(0) ; avec un retour unitaire, l’erreur statique à un échelon est A/(1 + Kp) avec Kp = G(0).
Équation caractéristique
s(s + 8) + 36·2 = 0 → s² + 8s + 72 = 0
Racines
s = −4 ± j·√(72 − 16) = −4 ± j7,483
σ = −4
Réponse
σ = −4
39.Réponse indicielle
Réponse: σ = −1,5
Réponse indicielle : un système du premier ordre G(s) = K/(τs + 1) répond à un échelon d’amplitude U par y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) : il atteint 63,2 % de la valeur finale K·U après une constante de temps τ et 98 % après 4τ. Un système du second ordre G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) a pour pôles s = −ζωₙ ± jωd avec ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Pour 0 < ζ < 1, la réponse indicielle dépasse sa valeur finale : dépassement en pourcentage %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), temps du premier pic tp = π/ωd, et temps de réponse à 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Comparez le dénominateur avec s² + 2ζωₙs + ωₙ² pour lire ωₙ et ζ. Pour un système masse–ressort–amortisseur, ωₙ = √(k/m) et ζ = c/(2√(km)) ; pour un circuit RLC série, ωₙ = 1/√(LC) et ζ = (R/2)·√(C/L).
Comparez avec la forme standard
Le dénominateur doit correspondre à s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 4 → ωₙ = 2 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2) = 0,75
Résultat
σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5
Réponse
σ = −1,5
40.Réponse indicielle
Réponse: ωn = 447,2 rad/s
Réponse indicielle : un système du premier ordre G(s) = K/(τs + 1) répond à un échelon d’amplitude U par y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) : il atteint 63,2 % de la valeur finale K·U après une constante de temps τ et 98 % après 4τ. Un système du second ordre G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) a pour pôles s = −ζωₙ ± jωd avec ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Pour 0 < ζ < 1, la réponse indicielle dépasse sa valeur finale : dépassement en pourcentage %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), temps du premier pic tp = π/ωd, et temps de réponse à 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Comparez le dénominateur avec s² + 2ζωₙs + ωₙ² pour lire ωₙ et ζ. Pour un système masse–ressort–amortisseur, ωₙ = √(k/m) et ζ = c/(2√(km)) ; pour un circuit RLC série, ωₙ = 1/√(LC) et ζ = (R/2)·√(C/L).
Erreur en régime permanent : dans une boucle à retour unitaire de fonction de transfert en boucle ouverte G(s), l’erreur est E(s) = R(s)/(1 + G(s)), et d’après le théorème de la valeur finale ess = lims→0 s·E(s). La classe du système est le nombre de pôles de G(s) en s = 0. Les constantes d’erreur sont Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) et Ka = lim s²·G(s), toutes pour s → 0. Un échelon d’amplitude A donne ess = A/(1 + Kp), une rampe A·t donne A/Kv et une parabole A·t²/2 donne A/Ka. Une boucle de classe 0 suit un échelon avec une erreur finie ; une boucle de classe 1 le suit exactement et suit une rampe avec une erreur finie.
Constante de vitesse
Kv = lim s·G(s) = 0,5
Partie échelon
Kp = ∞ → estep = 0
Erreur sur la rampe
ess = 4/0,5 = 8
Réponse
ess = 8
42.Erreur en régime permanent et commande PID
Réponse: Kd = 2,036 s
Commande P, PI et PID : le régulateur C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s agit sur l’erreur. Un gain proportionnel rend la boucle plus rapide et réduit l’erreur d’un procédé de classe 0, mais ne la supprime jamais. Le terme intégral ajoute un pôle en s = 0 : la classe du système augmente d’une unité, et un échelon est suivi sans erreur. Le terme dérivé ajoute de l’amortissement. Pour choisir les gains, écrivez le polynôme caractéristique en boucle fermée et comparez-le à s² + 2ζωns + ωn². On a alors %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd avec ωd = ωn√(1 − ζ²), et ts ≈ 4/(ζωn).
Polynôme caractéristique
s(s + 1) + 5(25 + Kds) = s² + (1 + 5Kd)s + 125
Fréquence propre
ωₙ = √125 = 11,18 rad/s
Gain dérivé
1 + 5Kd = 2·0,5·11,18 = 11,18
Kd = 2,036 s
Réponse
Kd = 2,036 s
Le terme dérivé ajoute de l’amortissement sans changer ωₙ.