Rotation d’une bille sur un rail Accélération de la bille en fonction de son moment d’inertie

, par  Bernard Vuilleumier , popularité : 1%

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Théorie

Une bille roulant sur un rail incliné subit trois forces : son poids m\vec g, une force de frottement \vec F et une force de soutien \vec N normale au plan. En projetant ces forces sur un axe parallèle au plan et en faisant usage de la relation fondamentale de la dynamique :

\Sigma\vec F=m\vec a

on obtient la grandeur de l’accélération du centre de masse (équation 1) :

a=gsin\theta-\frac{F}{m}

L’accélération angulaire \alpha=\frac{a}{r} de la bille s’obtient à partir de la relation fondamentale de la dynamique appliquée aux corps solides en rotation :

\Sigma M=I\alpha

\Sigma M est la somme des moments de force qui agissent sur la bille et I le moment d’inertie de la bille. La seule force dont le moment n’est pas nul est \vec F. La relation ci-dessus s’écrit donc (équation 2) :

Fr=I\alpha

En éliminant la force de frottement entre l’équation 1 et l’équation 2, on peut exprimer l’accélération a de la bille en fonction de son rayon r, de son moment d’inertie I, de l’accélération du lieu g et de l’angle d’inclinaison θ du rail :

a=\frac{mr^2gsin\theta}{mr^2+I}

Cette expression se simplifie par m. L’accélération de la bille ne dépend pas de sa masse.

a=\frac{r^2gsin\theta}{r^2+\frac{2}{5}R^2}