Couple

Généralement, en physique, on nomme couple tout dispositif d'actions mécaniques dont la résultante est nulle et le moment résultant comparé à un point O est non nul.

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Définitions :

(Couple de forces) : Ensemble de deux forces parallèles, de sens contraires et de même intensité ou dispositif équivalent à cet ensemble. Il est caractérisé par son moment. (source : ac-bordeaux)
Mesure du degré de pression utilisé pour produire une rotation ou une torsion. (source : sears)

Généralement, en physique, on nomme couple tout dispositif d'actions mécaniques dont la résultante $\vec{R}$ est nulle et le moment résultant $\vec{M}_0$ comparé à un point $O$ est non nul. Ce moment est alors indépendant du point $O$ , comme démontré ci-dessous.

En mécanique, un couple sert à désigner l'effort en rotation appliqué à un axe. Il est ainsi appelé à cause de la façon caractéristique dont on obtient ce type d'action : un bras qui tire, un bras qui pousse, les deux forces étant identiques et opposées. Quand le couple ne s'exerce pas rigoureusement dans l'axe, il se produit une rotation de cet axe (précession).

Unité de mesure

On mesure le couple en newton-mètre (N·m). L'unité de travail, le joule (J), est homogène à un newton-mètre : un couple de 1 N·m appliqué à un axe qui tourne d'un tour représente un ajout d'énergie de 2 $π$ J. On le représente par un vecteur dans l'axe de rotation, vers le haut pour une rotation dans le sens trigonométrique (qui est l'inverse du sens des aiguilles d'une montre), comme la vitesse de rotation.

Comparé à un mouvement rectiligne, on a les ressemblances suivantes :

force F (en N)	couple C (en N·m)
masse m (en kg)	moment d'inertie I (en kg·m²)
vitesse v (en m/s)	vitesse angulaire w (en radian /s)
énergie E = 1/2 m·v² (en joules)	énergie E = 1/2 I w² (en joules)
puissance P = F·v (en W)	puissance P = C·w (en W)
accélération a = F/m (m/s²)	accélération angulaire C/I (radian/s²)

(attention : produit vectoriel pour la puissance)

Propriété principale du couple

Rappel : moment d'une force

On rappelle que le moment comparé à un point O d'une force dont le point d'application est au point M est défini par :

$\vec{\mathcal{M}}_O \ = \ \vec{OM} \wedge \vec{F}(M)$

Un théorème général

Supposons le dispositif d'actions mécaniques représentable par un ensemble dénombrable de forces $\vec{F}_i$ où l'indice $\ i = 1, \cdots, n$ . Pour ce dispositif d'actions mécaniques, le moment résultant est :

$\vec{\mathcal{M}}_O \ = \ \sum_{i=1}ˆn \ \vec{\mathcal{M}}_i \ = \ \sum_{i=1}ˆn \ \vec{OM}_i \wedge \vec{F}_i(M_i)$

Calculons alors le moment résultant comparé à un autre point A :

$\vec{\mathcal{M}}_A \ = \ \sum_{i=1}ˆn \ \vec{AM}_i \wedge \vec{F}_i(M_i)$

On écrit que chaque vecteur position se décompose comme suit :

$\vec{AM}_i \ = \ \vec{AO} \ + \ \vec{OM}_i$

d'où le moment résultant :

$\vec{\mathcal{M}}_A \ = \ \sum_{i=1}ˆn \ \vec{AO} \wedge \vec{F}_i(M_i) \ + \ \sum_{i=1}ˆn \ \vec{OM}_i \wedge \vec{F}_i(M_i)$

La seconde somme représente le moment résultant en O. Qui plus est , dans la première somme, le vecteur $\vec{AO}$ est indépendant de l'indice i ; on peut par conséquent le sortir de la somme et écrire :

$\sum_{i=1}ˆn \vec{AO} \wedge \vec{F}_i(M_i) \ = \ \vec{AO} \wedge \left[ \sum_{i=1}ˆn \vec{F}_i(M_i) \right]$

La somme qui apparait n'est autre que la résultante des forces :

$\vec{R} \ = \ \sum_{i=1}ˆn \vec{F}_i(M_i)$

d'où le théorème général :

$\vec{\mathcal{M}}_A \ = \ \vec{\mathcal{M}}_O \ + \ \vec{AO} \wedge \vec{R}$

Cas spécifique du couple

Le couple étant un dispositif d'actions mécaniques dont la résultante $\vec{R}$ est nulle, son moment résultant est indépendant du point choisi pour le calculer :

$\vec{\mathcal{M}}_A \ = \ \vec{\mathcal{M}}_O$

On utilise fréquemment la notation $\vec{\Gamma}$ pour représenter le moment résultant d'un couple. Compte-tenu du résultat précédent, il n'est en effet pas indispensable de préciser le point choisi pour calculer le moment.

Représentations d'un couple

Il existe une illimitété de représentations différente d'un même couple $\vec{\Gamma}$ donné.

Représentation la plus simple

La plus simple, qui lui donne son nom, consiste à considérer un ensemble de deux forces :

l'une, $\vec{F}_1$ , appliqué en un point $M 1$ différent de l'origine $O$ fixée.

l'autre, $\vec{F}_2 \ = \ - \ \vec{F}_1$ , appliqué en un point $M 2$ symétrique du point $M 1$ comparé à l'origine $O$ .

Ainsi, la résultante $\vec{R} \ = \ \vec{F}_1 \ + \ \vec{F}_2 \ = \ \vec{0}$ est bien nulle. On suppose de plus que les vecteurs $\vec{F}_1$ et $\vec{F}_2$ ne sont pas colinéaires au vecteur $\vec{M_1M_2}$ ; le cas le plus simple consiste à prendre les deux forces perpendiculaires à ce vecteur :

Si on note la distance $|| \vec{OM}_1 || = || \vec{OM}_2 || = d$ , la norme des forces $|| \vec{F}_1 || = || \vec{F}_2 || = F$ , et $\vec{u}$ le vecteur unitaire perpendiculaire au plan de la figure, le couple vaut explicitement :

$\vec{\Gamma} \ = \ 2 \ d \ F \ \vec{u}$

Exemples d'autres représentations

On peut représenter le même couple $\vec{\Gamma}$ que dans l'exemple précédent par d'autres ensembles d'actions mécaniques. A titre d'exemple, par deux forces :

l'une, $\vec{F}_1$ , appliqué au point $O$ .

l'autre, $\vec{F}_2 \ = \ - \ \vec{F}_1$ , appliqué en un point $M 3$ localisé à une distance non nulle de l'origine $O$ .

Ainsi, la résultante $\vec{R} \ = \ \vec{F}_1 \ + \ \vec{F}_2 \ = \ \vec{0}$ est toujours nulle. Pour simplifier, on peut toujours supposer que les vecteurs $\vec{F}_1$ et $\vec{F}_2$ sont perpendiculaires au vecteur $\vec{OM_3}$ :

Pour retrouver la même valeur du couple : $\vec{\Gamma} \ = \ 2 \ d \ F \ \vec{u}$ , il suffit de prendre par exemple une combinaison du type :

$|| \vec{OM}_3 || = d$ et : $|| \vec{F}_1 || = || \vec{F}_2 || = 2F$

ou : $|| \vec{OM}_3 || = 2d$ et : $|| \vec{F}_1 || = || \vec{F}_2 || = F$

Il existe une illimitété de représentations envisageables...

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