Ă-coup
En mécanique, un à -coup, également saccade ou secousse, est une brusque variation du vecteur accélération sans notion de choc, comme un conducteur donnant un coup d'accélérateur, un coup de frein ou un coup de volant.
Unités SI | mÚtre par seconde cube |
---|---|
Dimension | L·Tââ3 |
Base SI | mâ sâ3 |
Nature | Grandeur vectorielle intensive |
Symbole usuel | j ou J (anglais : jerk, jolt) |
Lien Ă d'autres grandeurs | = |
En physique, le vecteur d'Ă -coup[1] (en anglais : jerk[2] (pron. /dÊÉËk/, « djeuk ») aux Ătats-Unis ou jolt[2] en Grande-Bretagne) est la dĂ©rivĂ©e du vecteur accĂ©lĂ©ration par rapport au temps (soit la dĂ©rivĂ©e troisiĂšme par rapport au temps du vecteur position)[3].
L'Ă -coup est donc un vecteur dĂ©fini par trois fonctions temporelles â typiquement ses trois composantes selon les axes x, y et z en coordonnĂ©es cartĂ©siennes â et il n'existe pas de terme normalisĂ© pour dĂ©signer son module que l'on appelle Ă©galement l'Ă -coup.
Ătymologiquement, les termes jerk et jolt signifient « secousse ».
Le yank (coup sec) est le produit d'une masse par un Ă -coup (mâ j), ou de maniĂšre Ă©quivalente dans le cas d'une masse constante, la dĂ©rivĂ©e d'une force par rapport au temps.
Il existe des grandeurs décrivant le systÚme et permettant de relier un effort (force ou couple) à diverses grandeurs cinématiques, par exemple :
- la raideur kr d'un ressort permet de relier la position x à la force F (loi des ressorts, F = kr·x) ;
- le coefficient de frottement fluide kf permet de relier la vitesse v à la force F (F = kf·v) ;
- la masse m permet de relier l'accélération a à la force F (principe fondamental de la dynamique, F = m·a) ;
il n'existe en revanche aucune grandeur physique permettant de lier un effort Ă un Ă -coup.
L'unitĂ© de l'Ă -coup est le mĂštre par seconde cube (mâ sâ3). Le symbole utilisĂ© pour l'Ă -coup n'est pas normalisĂ©, cependant couramment on utilise les notations j ou J (pour jerk ou jolt).
oĂč :
- est l'accélération,
- est la vitesse,
- est la position,
- est le temps.
Importance dans les mécanismes
Pour créer une accélération, il faut fournir un effort, selon le principe fondamental de la dynamique. De l'application de cet effort et de la notion d'inertie, il résulte une déformation élastique. Si l'accélération change rapidement, alors la déformation change elle aussi rapidement ; cela entraßne des oscillations dans le systÚme, donc des vibrations.
Exemples
Plus concrÚtement, prenons l'exemple d'un mobile de masse m poussé par un vérin sur un plan horizontal. Le mouvement se fait sans frottement, la masse de la tige de vérin est négligeable. Nous nous plaçons dans une phase d'accélération uniforme, a est donc constant. Si l'on isole le mobile (en haut dans la figure ci-contre), nous voyons qu'il faut le pousser avec une force
- F = ma.
Si l'on isole le piston, nous voyons que celui-ci subit la poussée du fluide (huile ou air selon le type de vérin), valant F, et l'action du mobile, -F. La tige est donc en compression élastique, elle subit une déformation qui est proportionnelle à l'accélération.
Si l'accélération change lentement (la valeur d'à -coup est faible), alors la longueur de la tige varie progressivement. Mais si l'accélération varie rapidement, la modification de la longueur se propage sous la forme d'une onde de compression. L'adaptation des piÚces aux nouvelles sollicitations se fait sous la forme d'oscillations amorties. Cela crée des secousses, des vibrations.
Plaçons-nous maintenant du cÎté du solide poussé par le vérin. Prenons un solide formé (voir figure ci-contre) :
- d'un bloc parallélépipédique noté 1, de masse m1 ;
- d'une sphÚre notée 2, de masse m2 ;
- la sphÚre étant reliée au bloc par une tige de masse négligeable.
Pour accélérer ce systÚme par rapport au sol, il faut fournir une force F valant
- F = (m1 + m2)a.
Le systÚme se déforme alors élastiquement. Cela se comprend bien en se plaçant dans le référentiel lié au systÚme {1 ; 2} (figures de droite) :
- la piÚce 1 subit une force d'inertie Fi1 opposée à F, elle est donc en compression ;
- la piÚce 2 subit une force d'inertie Fi2 opposée à F, la tige est donc en flexion.
Si l'accĂ©lĂ©ration varie lentement â donc si la valeur d'Ă -coup est faible â, alors la piĂšce 1 va se dĂ©former lentement, et la flexion de la tige reliant 2 Ă 1 va Ă©voluer lentement. Mais si l'accĂ©lĂ©ration varie brutalement â donc si l'Ă -coup est important â, alors la brusque compression ou dĂ©tente du bloc 1 va se propager sous la forme d'une onde de compression, et la tige entre 2 et 1 va subir un coup de fouet.
Conclusion
Une valeur d'à -coup importante signifie que l'accélération varie brusquement, donc que la force varie brusquement. On ne peut alors plus considérer que la déformation du systÚme est homogÚne. Il y a donc des vibrations qui se propagent dans le systÚme. Ces vibrations peuvent créer des dégradations, ainsi que des bruits.
Lorsque l'on conçoit la cinématique d'une machine, par exemple lorsque l'on programme un automate ou que l'on trace le profil d'une came, il faut donc s'attacher à limiter l'à -coup.
Un pic d'à -coup peut également survenir lorsqu'une piÚce passe d'une machine à une autre. Dans l'exemple ci-contre, l'objet manutentionné est une barre cylindrique munie d'un col. Lorsque l'objet est sur une roue, il subit une accélération centripÚte. Lors du passage à la seconde roue, l'accélération centripÚte change « instantanément » de sens, ou, d'un autre point de vue, la force centrifuge change soudainement de sens. L'objet va donc se mettre à se balancer.
Domaines d'application
L'Ă -coup est rĂ©guliĂšrement utilisĂ© dans des domaines tels que l'ingĂ©nierie, plus particuliĂšrement dans les secteurs ferroviaires (confort dans les trains, limitation de la brutalitĂ© des accĂ©lĂ©rations et des freinages des mĂ©trosâŠ) et lors de la conception de montagnes russes et de grands huit. Il est facilement observable en voiture si l'automobiliste ne rĂ©duit pas la pression sur les freins Ă la fin d'un freinage important.
Des objets fragiles ou de prĂ©cision doivent n'ĂȘtre soumis non seulement qu'Ă un niveau maximal d'accĂ©lĂ©ration mais Ă©galement qu'Ă un niveau maximal d'Ă -coup ; il en est de mĂȘme pour les ĂȘtres humains (et de maniĂšre gĂ©nĂ©rale les vertĂ©brĂ©s) qui ont besoin de temps pour ressentir les contraintes et adapter en retour leur tension musculaire afin d'y rĂ©sister dans le but de ne pas subir le coup du lapin. L'Ă -coup peut Ă©galement ĂȘtre considĂ©rĂ© comme un critĂšre important lorsque les phĂ©nomĂšnes de rĂ©sonances vibratoires sont un problĂšme Ă prendre en compte.
Lorsqu'un parachutiste est en chute libre Ă la vitesse terminale (Ă environ 70 m/s) et qu'il ouvre son parachute en forme d'aile ; durant le processus d'ouverture du parachute, il subira un jerk Ă peu prĂšs constant[4] - [5].
- Succession de virages dont le premier est à droite, générant un à -coup latéral.
- Succession de virages dont le premier est à gauche, générant un à -coup latéral.
- Panneau avertissant de la présence d'un ralentisseur (à 50m) générant un à -coup vertical.
- Panneau indiquant la présence d'un ralentisseur générant un à -coup vertical.
Cas du modÚle du solide indéformable
Si l'on utilise le modÚle du solide indéformable pour décrire le comportement d'un systÚme, alors on va parler d'à -coup au sens littéral lorsque l'on a une discontinuité de l'accélération. Si l'on représente graphiquement les composantes du vecteur accélération (ax, ay, az) en fonction du temps, les représentations vont présenter une marche. Les dérivées, qui sont les composantes du vecteur d'à -coup, vont donc prendre une valeur « infinie », un dirac.
Un à -coup au sens littéral correspond donc à une valeur d'à -coup infinie avec le modÚle du solide indéformable.
Dans la pratique, les piÚces ne peuvent pas changer instantanément de longueur, la valeur de l'à -coup est limitée par le comportement physique du systÚme :
- par le phénomÚne de sollicitation : rares sont les phénomÚnes qui changent d'intensité instantanément, il y a dans la plupart des cas une inertie ; par exemple, un moteur ne change pas de régime instantanément mais graduellement, un circuit électrique présente une résistance à la modification de l'intensité (en particulier en présence de bobines d'induction) ;
- par le comportement de la chaßne cinématique : élasticité des piÚces, jeu et frottement des liaisons.
Si les vitesses sont Ă©levĂ©es et les charges sont Ă©levĂ©es, l'Ă -coup peut prendre des valeurs extrĂȘmement Ă©levĂ©es. Le systĂšme va subir des secousses importantes, gĂ©nĂ©rant des vibrations donc des bruits et de la fatigue. Par contre, un pic d'Ă -coup pour des « petits » mĂ©canismes (faibles charges, faibles vitesses) ne pose en gĂ©nĂ©ral pas de problĂšme en dehors d'un bruit modĂ©rĂ©.
Prise en compte dans la conception d'une loi de mouvement
Considérons un mouvement rectiligne : un mécanisme doit amener un solide d'une position x = 0 à une position xf.
Loi trapézoïdale en vitesse
D'un point de vue cinématique, les lois les plus simples sont :
La solution la plus simple d'un point de vue conceptuel consiste donc Ă concevoir un mouvement en trois parties :
- Accélération uniforme jusqu'à une vitesse donnée.
- Mouvement uniforme Ă cette vitesse.
- DĂ©cĂ©lĂ©ration uniforme jusqu'Ă l'arrĂȘt.
Avec une telle cinématique, on voit que l'accélération est une fonction en escalier. Elle n'est pas dérivable aux transitions, l'à -coup est donc infini dans le modÚle du solide indéformable.
D'un point de vue concret, une telle loi de mouvement serait réalisée :
- par un systÚme ne permettant pas la régulation de la puissance (« tout ou rien »), comme un vérin hydraulique, pneumatique, ou un moteur dont le circuit d'alimentation n'aurait pour état que « ouvert » ou « fermé », par exemple régulé uniquement par une butée de fin de course ; l'à -coup est alors limité par la vitesse d'ouverture de l'électrovanne, du distributeur ou les propriétés d'amortissement du circuit RLC ;
- par un automate auquel on demanderait d'envoyer instantanément la puissance maximale dans les actionneurs, ce qui ne serait pas raisonnable ; l'à -coup serait alors limité par la vitesse de montée en puissance de l'ensemble ;
- par une came ; on ne peut pas dĂ©tecter « Ă l'Ćil » un problĂšme d'Ă -coup « infini », puisqu'un humain ne dĂ©tecte pas une discontinuitĂ© de courbure, mais seulement une discontinuitĂ© de pente. En effet la came peut paraĂźtre « suffisamment lisse » mais nĂ©anmoins avoir une dĂ©rivĂ©e seconde discontinue. C'est le cas de la loi trapĂ©zoĂŻdale en vitesse qui produit un profil de came apparemment lisse (cf. le premier chronogramme de la figure Chronogrammes d'un mouvement ayant un profil de vitesse trapĂ©zoĂŻdal), mais qui prĂ©sente une courbure et donc une accĂ©lĂ©ration discontinues (cf. le troisiĂšme chronogramme). Autrement dit une discontinuitĂ© de courbure n'est pas observable par un humain ; le risque est donc bien rĂ©el de concevoir un tel systĂšme.
Came Ă raccordements circulaires
Considérons maintenant la conception d'une came : la piÚce à faire bouger est sur un chariot coulissant selon l'axe x, et la came est sur un chariot coulissant selon l'axe y à une vitesse constante par rapport au bùti. Le galet suiveur est dans un « couloir », une rainure creusée dans la came. Lorsque le chariot de la came avance en y, le galet suiveur est entraßné par la rainure et le chariot de la piÚce avance en x.
Le profil de la came correspond au profil de la courbe x(t). Cette courbe comprend trois parties rectilignes : une partie horizontale (x = 0) correspondant la position initiale, une partie inclinée correspondant au mouvement, et une partie horizontale (x = xf) correspondant à la position finale. La rainure de la came possÚde donc également trois parties rectilignes.
Le plus simple à dessiner consiste à raccorder ces trois portions rectilignes par des arcs de cercle tangents dont le rayon extérieur est supérieur au rayon du galet. La loi x(t) va donc également avoir des raccordements en « cercle » (ou plutÎt en ellipse, selon les échelles de temps et de position adoptées).
On peut voir tout de suite que dans la partie circulaire, le galet subit une accĂ©lĂ©ration centripĂšte/force centrifuge ; on a donc au dĂ©marrage et au freinage un passage brutal d'une situation oĂč l'on n'a pas d'accĂ©lĂ©ration (parties linĂ©aires, le galet est immobile ou en mouvement rectiligne uniforme) Ă une situation avec une accĂ©lĂ©ration non nulle (centripĂšte).
Pour ĂȘtre plus prĂ©cis, dans la partie circulaire, le centre du galet subit une accĂ©lĂ©ration radiale valant
- a0 = v2/R,
v étant la vitesse relative du centre du galet par rapport à la came et R le rayon de la trajectoire du galet. Ainsi, l'accélération passe « instantanément » de 0 (vecteur vitesse constamment nul à l'attaque de la came) à une valeur a0 (début de la partie circulaire). Et lorsque le galet quitte la partie circulaire, l'accélération radiale cesse tout aussi brutalement.
Voyons ceci sous l'angle des lois de mouvement. ConsidĂ©rons le dĂ©marrage : la loi x(t) est l'Ă©quation cartĂ©sienne d'un cercle passant par les points (0, 0) â point le plus bas du cercle â et (Ï, x0) â point le plus Ă droite. On a donc :
et l'on a donc :
On voit que la vitesse tend vers +â lorsque t se rapproche de Ï. Cela correspond Ă la situation oĂč le tracĂ© de la came fait un quart de tour : l'effort de poussĂ©e se retrouve perpendiculaire Ă la trajectoire imposĂ©e par le guide du chariot, provoquant une situation de blocage. Cette phase se termine donc pour une valeur de temps t1 strictement infĂ©rieure Ă Ï. Au-delĂ , la came a un tracĂ© rectiligne, cela signifie que la vitesse est constante :
On voit ici que l'on a une rupture de pente de la loi v(t), donc une discontinuité de l'accélération au début et à la fin de la partie circulaire.
Ceci est confirmé par le calcul de l'accélération, qui montre deux discontinuités : une en 0 et une en t1
Nous avons donc lĂ encore un Ă -coup infini (dirac) Ă deux instants. La conception de cette came n'est donc pas satisfaisante du point de vue des secousses. Entre ces deux diracs, l'Ă -coup vaut
Solutions ayant un Ă -coup fini
Pour ĂȘtre sĂ»r d'avoir un Ă -coup fini (sans pic de dirac), il faut s'assurer que l'accĂ©lĂ©ration soit continue. Il faut donc dĂ©finir la loi Ă partir d'un profil d'accĂ©lĂ©ration continu (mais pas nĂ©cessairement dĂ©rivable), puis l'intĂ©grer pour avoir le profil de vitesse puis enfin le profil de dĂ©placement. Dans la conception d'une came, cela revient Ă s'assurer de la continuitĂ© de la courbure : une courbure continue permet d'avoir une accĂ©lĂ©ration radiale continue, sans variation brusque.
Pour l'accélération, on prend en général des lois simples par partie, par exemple :
- linéaire ;
- sinusoĂŻdale ;
- polynomiale.
Limite d'à -coup et filtre d'à -coup linéaire
Si le mouvement est géré par un automate programmable, il est possible de lui faire générer des lois de mouvement en limitant les dérivées de la position, c'est-à -dire en imposant une vitesse, une accélération et un à -coup maximum[6].
La maniÚre la plus simple consiste à avoir un à -coup en escalier, c'est-à -dire pouvant prendre trois valeurs, jmax, 0 et -jmax. On a donc nécessairement une loi d'accélération en trapÚze. Si le mouvement est court, alors
- soit l'accélération maximale n'est jamais atteinte, et l'on a donc une loi d'accélération triangulaire, les phases de montée et de descente de la vitesse ne présentent pas de partie rectiligne ;
- ou bien la vitesse maximale n'est jamais atteinte, la loi de vitesse ne présente pas de plateau au milieu ;
- et si le mouvement est trÚs court, ni la vitesse, ni l'accélération maximale ne sont atteintes.
Une autre maniÚre de faire consiste à limiter la vitesse et l'accélération, mais d'appliquer un filtre linéaire à l'à -coup, typiquement un filtre passe-bas pour éviter que l'à -coup ait des variations brusques. Ce procédé permet de modifier la loi de mouvement à la volée, par exemple si l'on change la position finale en cours de mouvement (suivi d'une cible mouvante). Selon la puissance du filtre, cela revient à limiter une dérivée d'ordre supérieur de la position.
Dérivées de l'à -coup
Les dĂ©rivĂ©es du vecteur position d'ordres supĂ©rieurs Ă 3, qui sont donc elles-mĂȘmes des dĂ©rivĂ©es de l'Ă -coup, existent Ă©galement, les fonctions temporelles mĂ©caniques Ă©tant toutes dĂ©rivables par partie.
Au cours du développement du télescope spatial Hubble et notamment de ses systÚmes asservis de contrÎle d'orientation, la dérivée quatriÚme du vecteur position a été utilisée et les ingénieurs ont employé le terme jounce dans leurs publications pour la désigner. Le terme snap est aussi utilisé.
Ces dérivées d'ordre supérieur n'ont pas de sens physique particulier, mais sont des maniÚres de générer une loi de mouvement limitant vitesse, accélération et à -coup.
Ă-coup angulaire
Considérons un mouvement de rotation autour d'un axe fixe dans le référentiel. L'orientation du solide peut s'exprimer par un angle Ξ (en radians), la position angulaire, à partir duquel on peut exprimer :
- la vitesse angulaire Ï (en radians par seconde), sa dĂ©rivĂ©e temporelle ;
- l'accĂ©lĂ©ration angulaire α (en radians par seconde au carrĂ©), la dĂ©rivĂ©e temporelle de Ï.
On peut de mĂȘme dĂ©river α par rapport au temps et ainsi dĂ©finir un Ă -coup angulaire ja :
- ;
- .
L'accélération angulaire implique un couple et donc une torsion du systÚme. Un à -coup important implique une variation brusque du couple, et donc la propagation d'une onde de cisaillement dans le systÚme.
Dans le cas d'un mouvement dans l'espace, on peut modéliser le déplacement d'un solide indéformable par un torseur cinématique, et donc définir à chaque instant un vecteur vitesse de rotation . On peut à partir de là définir un vecteur accélération angulaire
et ainsi un vecteur d'Ă -coup angulaire
- .
Considérons par exemple une croix de Malte, un dispositif permettant de créer une rotation intermittente de la roue menée à partir d'une rotation continue de la roue menante. Sur un cycle, on a donc une variation de la position angulaire Ξ durant un quart du cycle, et une position angulaire constante sur le reste du cycle.
Ce dispositif engendre une discontinuité de l'accélération angulaire α, et donc un à -coup angulaire « infini » (dirac), générant une secousse.
Cela n'empĂȘche pas le mĂ©canisme d'ĂȘtre utilisĂ© dans les projecteurs de cinĂ©ma Ă pellicule avec une trĂšs grande fiabilitĂ© (une trĂšs grande durĂ©e de vie) et juste un lĂ©ger bruit, puisque les charges sont trĂšs faibles â le systĂšme sert Ă entraĂźner la partie de la pellicule situĂ©e dans le couloir de projection, donc une trĂšs faible inertie (un film plastique d'une vingtaine de centimĂštres de long, de quelques dixiĂšmes de millimĂštre d'Ă©paisseur et de 35 mm de large), peu de frottements, et une vitesse modĂ©rĂ©e (2,4 m/s, 8,6 km/h).
Pour éviter ce problÚme d'à -coup, on peut utiliser à la place un dispositif à cames conjuguées comme la double came de Trézel, plus volumineux et plus cher, mais plus silencieux également.
Notes et références
- « La cinĂ©matique de lâascenseur dĂ©crit le mouvement dâune cabine dâascenseur dans une cage, en lâabsence de masse ou de force. Il sâagit de trouver lâaccĂ©lĂ©ration maximale et lâĂ -coup (modification de lâaccĂ©lĂ©ration) pouvant ĂȘtre supportĂ©s sans gĂȘne par les passagers, en vue de garantir le meilleur confort possible. » « Rapport de gestion 2002 », sur Groupe Schindler, 2002, p. 68
- Gibbs et coll. 1998
- « dérivée troisiÚme », sur forums.futura-sciences.com (consulté le )
- (en) Theo W. Knack, « Parachute Recovery Systems Design Manual » (consulté le ), p. 5-49
- (en) Jean Potvin, « Universality Considerations for Graphing Parachute Opening Shock Factor Versus Mass Ratio », Journal of Aircraft, Aerospace Research Central, vol. 44, no 2,â , p. 529-533 (DOI 10.2514/1.24061)
- [PDF] (en) Peter M. Thompson, « Snap, Crackle, and Pop », sur AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics
Voir aussi
Bibliographie
- (en) David Eager, Ann-Marie Pendrill et Nina Reistad, « Beyond velocity and acceleration : jerk, snap and higher derivatives », European Journal of Physics, vol. 37, no 6,â , article no 065008 (OCLC 6879306577, DOI 10.1088/0143-0807/37/6/065008, Bibcode 2016EJPh...37f5008E, rĂ©sumĂ©, lire en ligne [PDF]).
- Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Louvain-la-Neuve, De Boeck Supérieur, hors coll., , 4e éd. (1re éd. mai 2008), X-956 p., 24 cm (ISBN 978-2-8073-0744-5, EAN 9782807307445, OCLC 1022951339, BNF 45646901, SUDOC 224228161, présentation en ligne, lire en ligne), s.v. jerk, p. 402, col. 1-2.
Articles connexes
Liens externes
- [Gibbs et coll. 1998] (en) Philip Gibbs, Stephanie Gragert et PEG, « What is the term used for the third derivative of position? », sur FAQ Usenet Physics, 1996-1998 (consultĂ© le ) â Description de l'Ă -coup