Dispositif utilisé :
Deux
cylindres identiques, horizontaux et parallèles tournent autour de
leurs axes avec des vitesses angulaires opposées.
Sur ces rouleaux repose
une plaque rectangulaire de masse m et d'épaisseur négligeable. Soit 2L
la distance entre les génératrices ( A et B) de contact de la plaque avec
les rouleaux. On prend comme origine le milieu de AB et soit X la distance
du centre de gravité G de la plaque à l'origine. On suppose que les coefficients
de frottement de la plaque avec les rouleaux µ1 et µ2 sont indépendants
de la vitesse.
Si l'on pose la plaque sur les rouleaux avec une valeur
initiale de X différente de 0 la plaque se met à osciller.
Etudes
des forces de liaison :
Soient N1, N2 les composantes normales et
T1, T2 les composantes tangentielles des forces de liaison.
La plaque
restant horizontale, les moments des forces autour des points A et B sont
nuls.
Mt(A) = -(L + X)mg + 2L.N2 = 0. Mt(B) = (L - X)mg
- 2L.N1 = 0.
N1 = mg(L - X)/2L et N2 = mg(L + X)/2L.
La
somme des composantes normales est bien égale au poids mg de la plaque.
La
valeur des composantes tangentielles est donc d'après la définition des
coefficients de frottement : T1 = µ1.N1 et T2 = µ2.N2
Mouvement de
la plaque :
On applique à la plaque le principe fondamental de la
dynamique : mX" = T1 - T2 = µ1.N1 - µ2.N2
On tire : X" + (µ1
+ µ2)Xg/2L = (µ1 - µ2)g/2
Si µ1 = µ2 = µ le second membre est nul et
la solution générale est X = A cos (wt - B).
Les constantes A et B se calculent à partir des conditions initiales.
La
plaque oscille avec une période T = 2p(L/µg)½
.
Si les coefficients de frottements sont différents, il faut ajouter
à la solution générale une solution particulière ( X = X0 = constante est
une solution). Le mouvement est également oscillatoire mais le centre de
vibration est décalé de X0.
L'Applet
:
La case à cocher permet de visualiser les forces.
Enfoncer le
bouton droit de la souris pour geler l'animation. Le relâcher pour poursuivre.
J'ai
autrefois réalisé cette manipulation avec des engrenages et un moteur "Meccano".
Le fonctionnement est conforme à la théorie.