Si vous êtes un étudiant en ingénierie ou un ingénieur, vous savez probablement ce que cela signifie pour quelque chose de tourner.
Mais avez-vous déjà pensé à la façon dont les choses se déplacent autour d'un axe ? Cette ligne invisible s'appelle l'axe de rotation.
C'est une idée de base en ingénierie qui vous aide à comprendre comment des choses comme les engrenages et les turbines bougent.
En comprenant ce que signifie l'axe de rotation, vous pouvez en apprendre davantage sur la façon dont les choses bougent lorsqu'elles tournent et mieux comprendre à quel point les machines que j'utilise au quotidien sont compliquées.
Dans cet article, je parlerai des bases de l'axe de rotation et de son importance en ingénierie.
Cela vous aidera à comprendre le mouvement de rotation d'une toute nouvelle manière.
Introduction à l'axe de rotation
Définition formelle:
Une ligne droite passe par les points d'un corps rigide en rotation qui restent immobiles tandis que les autres points du corps se déplacent en cercles autour de l'axe.
Une idée clé en ingénierie, physique et mécanique est l'axe de rotation.
Il s'agit d'une droite composée qui traverse un objet tridimensionnel et autour de laquelle l'objet peut tourner ou virevolter.
En d'autres termes, c'est la ligne autour de laquelle tourne un corps rigide.
Un référentiel inertiel montre que l'axe de rotation peut être fixe et ne bouge pas ou ne change pas de direction.
Lorsque chaque partie d'un corps se déplace en cercle autour d'une seule ligne, appelée axe de rotation, cela s'appelle un mouvement de rotation pur.
L'hypothèse de l'axe fixe dit qu'un axe ne peut pas changer de position, il ne peut donc pas expliquer des choses comme l'oscillation ou la précession.
Axe de rotation interne
Les objets dans l'espace 3D peuvent avoir plus d'un axe de rotation à l'intérieur.
Mais il n'est pas possible qu'un objet tourne autour de deux de ces axes en même temps.
Si le nouvel axe de rotation d'un objet est perpendiculaire à son axe d'origine, il ne peut pas tourner dans des directions opposées sur les deux axes en même temps.
Il trouvera un point où les deux sont équilibrés, et le long de cette ligne, il fera un troisième axe de rotation.
Axe de rotation dans l'anatomie humaine
En anatomie, l'axe de rotation est une ligne composée qui passe par le point où une articulation tourne ou pivote.
Par exemple, l'axe de rotation pour plier et redresser le bras passe par l'articulation du coude.
Dans l'anatomie humaine, il y a trois axes.
- L'Axe Antéropostérieur (Axe Sagittal) va d'avant en arrière et de haut en bas du corps.
- Axe longitudinal (Axe vertical): Il va de haut en bas et d'avant en arrière à travers le corps.
- Axe médiolatéral (axe transversal) : Il va de gauche à droite et d'arrière en avant du corps.
Orientation d'un corps rigide
La façon dont un corps rigide est orienté est déterminée par la façon dont ses propres axes pointent.
Cette orientation est fixée par la contrainte de roulement et l'axe de rotation instantané.
Mais cette idée n'a pas grand-chose à voir avec l'axe de rotation.
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Axe de rotation et de mouvement
Le mouvement de rotation se produit lorsqu'un corps rigide se déplace autour d'un axe qui ne bouge pas.
Le mouvement de rotation peut être vu dans la façon dont la terre tourne autour de son propre axe et dans la façon dont les roues, les engrenages et les moteurs se déplacent.
Les ingénieurs doivent penser à l'inertie de rotation lorsqu'ils font tourner des choses, car cela affecte le bon fonctionnement des moteurs et la fabrication des hélices.
Les variables et les équations de la cinématique de rotation sont utilisées pour résoudre des problèmes réels impliquant le couple et les bras de levier.
Vous pouvez résoudre des exemples de mouvement de rotation en utilisant les cinq équations cinématiques de rotation.
De plus, la dynamique de rotation examine le mouvement d'un objet et les forces qui le font bouger.
La cinématique et la dynamique de la rotation à axe fixe
La rotation autour d'un axe fixe est plus facile à comprendre mathématiquement que la rotation libre d'un corps rigide car un axe ne peut pas changer de position et il ne peut pas expliquer des choses comme l'oscillation ou la précession.
La cinématique et la dynamique d'un corps rigide tournant autour d'un axe fixe sont exactement les mêmes que celles d'un corps rigide se déplaçant dans une seule direction fixe.
Ce n'est pas vrai pour un corps rigide qui est libre de tourner dans n'importe quelle direction.
Les expressions de l'énergie cinétique de l'objet et des forces exercées sur ses parties sont également plus faciles à écrire lorsque l'objet tourne autour d'un axe fixe plutôt que librement.
Inertie de rotation et modification de la vitesse de rotation
Lorsqu'un objet s'éloigne de l'axe de rotation, il devient de plus en plus difficile de modifier la vitesse de rotation du système.
En effet, l'inertie de rotation augmente à mesure que la masse s'éloigne de l'axe.
L'inertie de rotation est affectée à la fois par la masse et par la distance entre le centre de la masse et l'axe.
Quand quelque chose est tiré ou poussé loin de son centre, il est plus difficile de changer la vitesse à laquelle il tourne.
Cela a du sens, car si quelqu'un essaie de faire tourner quelque chose en tirant sur une extrémité, il essaie essentiellement de faire bouger un côté plus rapidement que l'autre côté.
Si un côté a plus de poids ou est plus éloigné de l'endroit où la personne tire, il faudra plus de force pour faire bouger ce côté à la même vitesse que les autres.
Stabilité des objets en rotation
Que quelque chose soit stable ou non lorsqu'il tourne dépend des axes principaux autour desquels il tourne.
S'il n'y a pas de couples de l'extérieur, un objet tournant autour d'un axe oscillera autour de certains de ses axes principaux mais pas d'autres.
Tout mouvement qui va à l'encontre de ces axes peut rapidement prendre de l'ampleur et entraîner des mouvements beaucoup plus compliqués.
Par exemple, une toupie oscille, mais lorsque le centre de gravité est aligné avec l'axe de rotation, elle s'arrête de bouger.
Lors de la conception de systèmes rotatifs, la stabilité de l'objet et de ses axes principaux doit être prise en compte pour s'assurer qu'ils fonctionnent bien et en toute sécurité.
Moment d'inertie et axe de rotation
Le moment d'inertie est un moyen de mesurer l'inertie de rotation, qui est la résistance au changement de vitesse angulaire autour d'un axe fixe.
Il montre combien de masse est proche de l'axe de rotation et combien de masse est plus éloignée.
Le moment d'inertie est moins affecté par les masses proches de l'axe et plus par les masses plus éloignées.
La forme intégrale de l'équation de l'énergie cinétique de rotation peut être utilisée pour déterminer le moment d'inertie.
En effet, le moment d'inertie et le carré de la vitesse angulaire sont directement liés.
Calcul des moments d'inertie
La forme intégrale de l'équation de l'énergie cinétique de rotation peut être utilisée pour déterminer le moment d'inertie.
Avec cette équation, vous pouvez déterminer le moment d'inertie de corps rigides de formes régulières, comme des cylindres et des sphères.
Des expériences peuvent être utilisées pour trouver le moment d'inertie de corps de différentes formes.
La signification physique du moment d'inertie est qu'il montre à quel point il est difficile de changer la façon dont un objet tourne autour d'un axe.
Les objets avec plus de masse plus éloignés de leur axe auront un moment d'inertie plus élevé et seront plus difficiles à tourner que les objets avec moins de masse plus éloignés de leur axe.
Applications du moment d'inertie
En ingénierie et en physique, le moment d'inertie est un concept très important.
Il est utilisé, par exemple, dans la conception de moteurs, de turbines et d'autres machines et outils avec des pièces mobiles.
Les ingénieurs utilisent également le moment d'inertie pour déterminer la stabilité des objets lorsqu'ils tournent autour d'un axe.
De plus, le moment d'inertie est utilisé pour déterminer le couple nécessaire pour faire bouger un objet d'une certaine manière.
Couple et moment angulaire
Le couple est un moyen de mesurer la force qui peut faire tourner quelque chose autour d'un axe.
Plus il est difficile pour un objet d'obtenir une accélération angulaire, plus son inertie de rotation est grande.
Il s'agit d'une propriété d'un système en rotation qui dépend de la répartition de la masse du système.
Équilibre rotationnel
Pour un système qui tourne, l'idée d'équilibre de rotation est la même que la première loi de Newton.
Si quelque chose ne tourne pas, il le restera à moins qu'une force extérieure ne le change.
De la même manière, un objet qui tourne à une vitesse angulaire constante continuera à tourner à moins qu'une force extérieure n'agisse sur lui.
Moment d'inertie
Le moment d'inertie (I) est égal à la somme des masses de tous les éléments multipliée par leurs distances à l'axe de rotation multipliée par quatre.
C'est un paramètre clé pour déterminer à quel point il est facile ou difficile de changer la façon dont quelque chose tourne.
Le couple total que les forces extérieures exercent sur un système est égal à I fois son accélération angulaire.
Si les couples agissant sur un corps ne sont pas équilibrés, ce qui signifie que le couple total n'est pas nul, le corps tournera plus vite.
La deuxième loi de Newton sur les rotations nous explique comment cela fonctionne.
Conservation du moment angulaire
Lorsqu'il n'y a pas de couples de l'extérieur, le moment cinétique total d'un système reste le même.
Cela signifie que s'il n'y a pas de couple externe net autour d'un point dans un cadre de référence inertiel fixe, alors le moment cinétique d'un système de particules autour de ce point dans l'espace restera le même.
Les versions rotationnelles du moment linéaire et de la force sont le couple et le moment cinétique.
Cas d'utilisation
| Utilisé dans: | Description: |
|---|---|
| Robotique | L'axe de rotation est utilisé pour contrôler le mouvement des articulations et des bras du robot. Les ingénieurs peuvent programmer des robots pour effectuer des tâches compliquées avec précision et précision en contrôlant l'axe de rotation. Par exemple, l'axe de rotation est utilisé pour contrôler le mouvement d'un bras de robot lorsqu'il soude des pièces automobiles sur une chaîne de montage. |
| Turbomachines | Les turbines, compresseurs et autres turbomachines utilisent l'axe de rotation pour transférer de l'énergie entre les pièces en mouvement et les pièces qui ne le sont pas. Les ingénieurs doivent soigneusement planifier la forme et l'emplacement de l'axe de rotation pour s'assurer que la machine fonctionne aussi bien et aussi efficacement que possible. |
| Avion | L'axe de rotation est un élément clé de leur construction et de leur stabilité. Pour qu'un avion soit stable et facile à contrôler, son centre de gravité doit être aligné avec son axe de rotation. Les ingénieurs utilisent l'axe de rotation pour déterminer les moments d'inertie et concevoir les systèmes de contrôle de l'avion. |
| Travaux publics | Les structures telles que les ponts, les bâtiments et les barrages sont conçues en tenant compte de l'axe de rotation. Les ingénieurs doivent s'assurer que l'axe de rotation est aligné avec les parties porteuses pour s'assurer que la structure est stable et solide. |
| L'étude de l'électricité | Les moteurs et les générateurs sont fabriqués en tenant compte de l'axe de rotation. Dans un moteur électrique ou un générateur, le rotor tourne autour de l'axe de rotation pour produire de l'électricité. Les ingénieurs doivent concevoir l'axe de rotation de sorte qu'il y ait le moins de frottement possible et que le plus de travail soit effectué. |
Conclusion
En conclusion, l'axe de rotation est un concept d'ingénierie très important qui peut nous en dire beaucoup sur la façon dont les choses bougent lorsqu'elles tournent.
En connaissant l'axe de rotation, vous pouvez analyser et concevoir des machines avec plus de précision et d'exactitude, ce qui conduit à des conceptions qui fonctionnent mieux et sont plus efficaces.
Mais en plus d'être utile, l'axe de rotation rappelle aussi à quel point la nature est belle et compliquée.
L'axe de rotation est au centre de tout mouvement de rotation, de la rotation gracieuse d'une toupie au mouvement puissant d'une turbine.
Il nous relie au monde qui nous entoure d'une manière dont nous ne sommes peut-être même pas conscients.
Alors, la prochaine fois que vous voyez quelque chose tourner, pensez à l'axe invisible autour duquel il tourne et pensez à quel point les forces qui façonnent notre monde sont étonnantes et compliquées.
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