PLAN DE COURS

Dynamique (203-205-85)

groupe 2326

Pondération: 2-1-2

Trimestre et année: Automne 2004

Enseignant: Martin Aubé

Courriel: aubema@collegesherbrooke.qc.ca

www: http://www.graphycs.qc.ca/martinaube.html

bureau 2-57-170

Département de physique

Collège de Sherbrooke

Tiré de Trucs-en-vrac de Gotlib, Dargaud ed. 1977.

Présentation:

Le cours de dynamique est le troisième cours de physique qui vous permettra de comprendre les principes de base nécessaires à la pratique des techniques liées à la maintenance industrielle. Le cours de statique et de résistance des matériaux vous a permis d'apprendre à déterminer les contraintes dans les corps soumis à des forces externes. En cinématique, vous avez étudié la description de différents types de mouvement utiles en génie industriel. Dans le cours de dynamique, nous allons compléter cette séquence en étudiant les forces en présence dans les systèmes en mouvement. Les notions des trois cours précédents seront souvent réutilisées. L'étude de la dynamique vous apprendra à déterminer les forces qui agissent sur les pièces mobiles de diverses machines, cette connaissance étant nécessaire pour prédire leur mouvement (cinématique). L'intérêt pratique de connaître les forces est aussi de pouvoir déterminer la grosseur et la forme des pièces à utiliser (résistance des matériaux, conception de machines, hydraulique et pneumatique, etc.).

Les bases mathématiques nécessaires à ce cours sont l'algèbre élémentaire, la géométrie dans le plan et dans l'espace, de même que la trigonométrie. Nous pourrons occasionnellement faire appel à certaines notions des cours de calcul différentiel et intégral.

Sommaire:

• Objectifs généraux

• Objectifs spécifiques

• Méthodologie

• Contenu détaillé

• Laboratoires

• Évaluation

• Absences

• Français écrit

• Disponibilité

• Volume obligatoire

Objectifs généraux:

Fournir à l'étudiant(e) une base de connaissance concernant les lois et les principes fondamentaux qui régissent la dynamique.

À la fin de ce cours, l'étudiant(e) devra être en mesure de résoudre des problèmes nouveaux reliés au contenu du cours. L'étudiant devra adopter une approche compréhensive des phénomènes étudiés (le travail de mémorisation sera minimisé).

L'étudiant(e) devra tirer profit de ses connaissances en algèbre linéaire pour la plupart des problèmes qu'il aura à résoudre.

L'étudiant(e) devra savoir utiliser les notions étudiées pour trouver des solutions à des problèmes concrets faisant intervenir la mécanique.

Objectifs spécifiques:

• Appliquer le concept de force à des corps en mouvement.

• Appliquer le concept de force de frottement à des problèmes de freins et/ou d'embrayages.

• Appliquer les notions de travail et de puissance dans différents contextes.

• Appliquer la notion d'avantage mécanique dans des systèmes de poulies et d'engrenages.

• Appliquer les notions de moment de force et d'inertie pour les corps en rotation.

• Appliquer les lois de la dynamique dans des situations impliquant un mouvement de translation combiné à un mouvement de rotation, en particulier dans les problèmes de cames, de vérins et de bielles.

• Établir un lien entre le phénomène de résonance et les problèmes de vibrations dans diverses situations rencontrées en génie.

Méthodologie:

La matière sera présentée sous forme de cours magistraux au cours desquels il vous est recommandé de prendre des notes afin de mieux assimiler les notions introduites. Des petites démonstrations expérimentales seront régulièrement insérées durant les exposés théoriques afin de favoriser la compréhension et l'intérêt face à la matière. Vous serez éventuellement amenés à produire une explication écrite d'une démonstration. Le volume de référence permettra de donner une version différente de celle proposée par le professeur afin de favoriser une meilleure intégration des concepts. Au début de chaque chapitre, vous connaîtrez les sections équivalentes du volume. À chaque chapitre, vous disposerez d'une série de problèmes permettant l'intégration des connaissances transmises en classe. La majorité des problèmes seront tirés du volume de référence. Des périodes d'exercices se tiendront durant les heures de cours.

Un certain nombre de documents relatifs au cours seront éventuellement disponibles via le World Wide Web à partir de ma page personnelle (http://www.graphycs.qc.ca/martinaube.html). Les documents seront en format HTML. Ils pourront donc être lus et imprimés à l'aide d'un navigateur WEB. Vous êtes fortement encouragés à exploiter ce moyen de communication qui sera sans doute un atout important pour l'exercice de votre future profession.

Contenu détaillé:

INTRODUCTION

- La méthode scientifique et la perception du réel

- Physique et mathématiques

- Le désir d'unification et de simplification des théories

- Résolution d'un problème

- Ordre de grandeur et unités (vérification d'un résultat)

- Erreurs, incertitudes, précision, chiffres significatifs

Chapitre 1: Lois de Newton

(8 heures)

Objectif terminal

Savoir appliquer les lois de Newton à des problèmes simples de translation.

Objectifs intermédiaires

• Connaître les concepts de masse, poids et force.

• Savoir prédire le mouvement d'une masse en l'absence de forces.

• Savoir prédire le mouvement d'une masse soumise à une force constante.

• Comprendre les concepts de frottement et de force centripète.

• Savoir calculer la force exercée par un ressort.

Contenu

1.0 Définitions (masse, poids, force)

1.1 Deuxième loi de Newton

1.2 Troisième loi de Newton

1.3 Équations du mouvement

1.4 Force de frottement

1.5 Force élastique

1.6 Force centripète

EXAMEN 1: 15 POINTS

Chapitre 2: Les principes de conservation

(7 heures)

Objectif terminal

Savoir se servir du principe de conservation de l'énergie pour simplifier certains problèmes de physique.

Objectifs intermédiaires

• Savoir faire la différence entre le travail, l'énergie cinétique, l'énergie potentielle, et la puissance.

• Savoir identifier les formes d'énergies impliquées dans divers processus physiques.

• Savoir utiliser le principe de conservation de l'énergie.

• Être capable de résoudre des problèmes de machines simples.

• Se familiariser avec la notion de quantité de mouvement.

• Savoir utiliser le principe de conservation de la quantité de mouvement.

• Comprendre le concept de centre de masse.

Contenu

2.0 La notion d'énergie

2.1 Le travail

2.2 Énergie cinétique

2.3 Énergie potentielle

2.4 Conservation de l'énergie

2.5 Systèmes de poulies et leviers, avantage mécanique

2.6 Puissance, rendement

2.7 La notion de quantité de mouvement

2.8 Conservation de la quantité de mouvement

2.9 Collisions

2.10 Centre de masse

EXAMEN 2: 15 POINTS

Chapitre 3: Mouvements périodiques et ondes

(3 heures)

Objectif terminal

Être capable de prédire le mouvement de quelques systèmes oscillants simples.

Objectifs intermédiaires

• Être capable de calculer la fréquence d'un pendule simple.

• Être capable de calculer la fréquence d'un système masse-ressort.

• Savoir définir le mouvement harmonique.

• Comprendre le principe de fonctionnement d'un amortisseur.

Contenu

3.0 Définitions (fréquence, période)

3.1 Mouvement harmonique simple

3.2 Système masse-ressort

3.3 Mouvement harmonique amorti

3.4 Ondes progressives

3.5 Ondes stationnaires et résonance

Chapitre 4: Dynamique de rotation

(3 heures)

Objectif terminal

Être en mesure de décrire le mouvement d'un corps rigide autour d'un axe à l'aide de l'accélération angulaire, du moment de force et du moment d'inertie.

Objectifs intermédiaires

• Savoir résoudre des problèmes spécifiques à la rotation.

• Être en mesure d'établir la correspondance qui existe entre les dynamiques de translation et de rotation.

Contenu

4.0 Définitions

4.1 Équivalence avec les lois de translation

4.2 Force centripète et moment d'inertie

4.3 Les principes de conservation

4.4 Mouvement de translation et rotation combinés

EXAMEN 3: 20 POINTS

EXAMEN FINAL ORAL: 15 POINTS

Laboratoires:

L'ensemble des périodes de laboratoire (totalisant 15 heures) seront consacrées à la réalisation de projets intégrateurs par équipe de trois étudiants. La pédagogie par projet sera exploitée ici et dans ce contexte vous serez en grande partie les maîtres de vos apprentissages. Vous aurez à définir vous même la méthodologie pour atteindre l'objectif fixé par le professeur. La résolution de ces problèmes reposera aussi en grande partie sur l'esprit de collaboration à travers le travail en équipe ainsi que les échanges entre les équipes.

Le premier projet consistera à mettre au point une méthodologie permettant de mesurer avec le plus de précision possible la constante de gravité à la surface de la terre. Vous devrez dans un premier temps travailler en équipe pour définir votre plan d'action pour mener à bien cette expérience (définir la méthode, les équipements nécessaires, les étapes à réaliser, la séquence de mesure, les calculs requis, le niveau d'incertitude prévu, etc.). Le plan qui aura été élaboré devra être rédigé par écrit (maximum 5 pages). La semaine suivante, chaque équipe devra mandater un collègue pour faire une présentation de 7 minutes qui résume les grandes lignes du plan. Suite à ces présentations, un débat aura lieu pour discuter des avantages de l'une ou l'autre des méthodes présentées. Au terme de ce débat, chaque équipe devra prendre 50 minutes pour établir son nouveau plan d'action à la lumière des nouvelles informations partagées. Chaque équipe devra remettre un bref résumé de ce nouveau plan (maximum 1 page) ou vous devez justifier objectivement les changements proposés. Les deux documents seront remis au professeur à la fin de la période. Chaque équipe devra voir à conserver un brouillon de ces documents pour bien préparer la suite du projet en attendant la correction par le professeur.

Le second projet consistera en la fabrication d'un système mécanique initialement au repos capable de lancer un projectile (une superballe) pour atteindre une cible de 40 cm de diamètre située à une distance de 4 m. La seule source d'énergie permise sera l'énergie potentielle gravitationnelle d'une masse de 0,4 kg élevée d'une hauteur de 40 cm. L'ensemble du système devra être exclusivement construit avec les matériaux suivants: coroplast, trombones, pailles à boire, bandes élastiques, ruban adhésif, colle chaude. Les étudiants auront ensuite à mesurer les performances du système (déterminer le rendement). À la fin de la session les équipes devront soumettre leur système au test ultime devant l'ensemble du groupe et présenter un court rapport résumant le fonctionnement de leur système, son rendement, et les principes physiques exploités à l'aide de plans, tableaux, et graphiques. Ce rapport sera destiné à une publication sur le WEB. Les étudiants devront voir à ce que la présentation soit soignée et bien synthétisée car il sera accessible aux internautes du monde entier. Des images pourront être insérées au rapport pour servir la clarté du travail.

Évaluation:

Examen 1 (6^e semaine) 15 %

Examen 2 (11^e semaine) 15 %

Examen 3 (15^e semaine) 20 %

Examen oral (16^e semaine) 15%

Total 65%

Les laboratoires-projets seront évalués en fonction des critères suivant:

Performance 10%

Originalité 5%

Participation 5%

Rapport 15%

Total 35%

Vous aurez à auto-évaluer votre participation au laboratoire afin de favoriser un partage équitable du travail au sein de l'équipe. Chacun des membre de l'équipe aura à établir le pourcentage de travail que ses coéquipiers et lui même ont respectivement investis dans le laboratoire. Ces pourcentages devront être remis par écrit au professeur simultanément à la remise du rapport.

Les trois examens écrits d'une durée de 2 heures chacun feront appel à votre compréhension des phénomènes physiques concernés. Ils seront composés de problèmes originaux (différents de ceux fait en exercices) et appliqués à la vie de tous les jours. Généralement, ils seront relativement faciles d'un point de vue mathématique. Toutefois, ceux et celles qui n'auront pas fait suffisamment d'exercices et d'étude auront sans doute de la difficulté à identifier le phénomène physique impliqué dans le problème. Vous aurez droit à une feuille recto manuscrite aide mémoire. La correction portera principalement sur la démarche et non sur le calcul numérique.

L'examen oral, sera composé de 15 à 20 questions de compréhension. Vous disposerez d'environ deux semaines pour faire le tour de ces questions. Vous aurez alors à vous présenter par équipe de trois pour répondre à trois des ces questions sélectionnées au hasard. Aucune documentation ne sera permise lors de l'évaluation. Chaque membre de l'équipe devra répondre à une question. À la fin, si le temps le permet, les autres membres de l'équipe pourront compléter la ou les réponses de ses partenaires. La durée maximale de l'examen oral est de 15 minutes par équipe. L'évaluation portera sur la compréhension du sujet et la note sera attribuée à l'équipe.

À chaque chapitre vous disposerez d'une série d'exercices. À l'occasion, je vous ferai passer sans préavis un petit test au cours duquel vous aurez à répondre à une des questions que vous aurez fait en exercice (aucune notes permises). La durée du petit test sera déterminée de façon à ce que ceux qui auront fait les exercices soient favorisés. Les résultats de ces tests seront considérés comme points bonis lors du calcul de la note finale (2 % par test).

Absences:

Un(e) étudiant(e) qui sans raison valable est absent(e) à un examen ou un petit test se verra attribuer la note zéro. Si son absence est justifiée, il(elle) devra prendre contact avec le professeur au plus tard deux jours après l'évaluation pour convenir des modalités de reprise.

Français écrit:

Lors de la correction du rapport de laboratoire, un maximum de 10 % de la note pourra être perdue en raison de la mauvaise qualité de la langue.

Révision de notes:

Lors de la remise des travaux et des examens, le professeur présentera la solution en classe ou expliquera la grille de correction. Les étudiant(e) qui le souhaitent auront immédiatement l’occasion de faire vérifier la correction. Cependant, ils disposeront par la suite d’un délai maximal de trois jours de classe pour faire une revendication écrite, dans un premier temps auprès de leur professeur, et si nécessaire auprès de la coordination départementale.

Disponibilité:

Vous pourrez me rencontrer à mon bureau situé au département de physique (2-57-170) ou au laboratoire du groupe de recherche et d'applications en physique (GRAPHYCS) situé en face du département. Je serai facile à rejoindre par e-mail à l'adresse figurant sur la page couverture.

Semaine d'étude et d'encadrement:

Durant la semaine d'étude et d'encadrement, je serai disponible pour répondre à vos questions et pour vous aider à solutionner les problèmes qui vous résistent. Vous pourrez me rencontrer à mon bureau mais je vous recommande de prendre rendez-vous avec moi.

Volume obligatoire:

Côté, M. (1997) Dynamique, Applications en génie mécanique, les éditions Le griffon d'argile, Québec, Canada.

Calendrier: