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À-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.

À-coup
Description de cette image, également commentée ci-aprÚs
Cassis ou dos d'ùne, générant un à-coup vertical.

En physique, le vecteur d'Ă -coup[1] (en anglais : jerk[2] (pron. /dʒɜːk/, « djeuk ») aux États-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 — typiquement ses trois composantes selon les axes x, y et z en coordonnĂ©es cartĂ©siennes — et il n'existe pas de terme normalisĂ© pour dĂ©signer son module que l'on appelle Ă©galement l'Ă -coup.

Étymologiquement, les termes jerk et jolt signifient « secousse Â».

Le yank (coup sec) est le produit d'une masse par un Ă -coup (m⋅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 :

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 (m⋅s−3). 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

Relation entre l'accélération et la compression d'une tige de vérin : isolement du mobile (haut) et isolement du piston (bas).
Lorsque l'on pousse sur une tige pour la comprimer, la déformation progresse sous la forme d'une onde de compression.

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.

Plus l'accélération est grande, plus la force de poussée est importante, et plus la déformation élastique du systÚme est grande.

Plaçons-nous maintenant du cÎté du solide poussé par le vérin. Prenons un solide formé (voir figure ci-contre) :

  • d'un bloc parallĂ©lĂ©pipĂ©dique notĂ© 1, de masse m1 ;
  • d'une sphĂšre notĂ©e 2, de masse m2 ;
  • la sphĂšre Ă©tant reliĂ©e au bloc par une tige de masse nĂ©gligeable.

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 piĂšce 1 subit une force d'inertie Fi1 opposĂ©e Ă  F, elle est donc en compression ;
  • la piĂšce 2 subit une force d'inertie Fi2 opposĂ©e Ă  F, la tige est donc en flexion.

Si l'accĂ©lĂ©ration varie lentement — donc si la valeur d'Ă -coup est faible —, 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 — donc si l'Ă -coup est important —, 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.

Roue d'échange générant un à-coup infini (inversion soudaine du vecteur accélération).

Un pic d'Ă -coup peut Ă©galement survenir lorsqu'une piĂšce passe d'une machine Ă  une autre. Dans l'exemple ci-contre, l'objet manutentionnĂ© est une barre cylindrique munie d'un col. Lorsque l'objet est sur une roue, il subit une accĂ©lĂ©ration centripĂšte. Lors du passage Ă  la seconde roue, l'accĂ©lĂ©ration centripĂšte change « instantanĂ©ment Â» de sens, ou, d'un autre point de vue, la force centrifuge change soudainement de sens. L'objet va donc se mettre Ă  se balancer.

Domaines d'application

L'à-coup est réguliÚrement utilisé dans des domaines tels que l'ingénierie, plus particuliÚrement dans les secteurs ferroviaires (confort dans les trains, limitation de la brutalité des accélérations et des freinages des métros
) et lors de la conception de montagnes russes et de grands huit. Il est facilement observable en voiture si l'automobiliste ne réduit pas la pression sur les freins à 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].

  • Panneaux signalant, en France, des situations gĂ©nĂ©rant des Ă -coups sur la route
  • Succession de virages dont le premier est Ă  droite, gĂ©nĂ©rant un Ă -coup latĂ©ral.
    Succession de virages dont le premier est à droite, générant un à-coup latéral.
  • Succession de virages dont le premier est Ă  gauche, gĂ©nĂ©rant un Ă -coup latĂ©ral.
    Succession de virages dont le premier est à gauche, générant un à-coup latéral.
  • Panneau avertissant de la prĂ©sence d'un ralentisseur (Ă  50m) gĂ©nĂ©rant un Ă -coup vertical.
    Panneau avertissant de la présence d'un ralentisseur (à 50m) générant un à-coup vertical.
  • Panneau indiquant la prĂ©sence d'un ralentisseur gĂ©nĂ©rant un Ă -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 modĂšle du solide indĂ©formable pour dĂ©crire le comportement d'un systĂšme, alors on va parler d'Ă -coup au sens littĂ©ral lorsque l'on a une discontinuitĂ© de l'accĂ©lĂ©ration. Si l'on reprĂ©sente graphiquement les composantes du vecteur accĂ©lĂ©ration (ax, ay, az) en fonction du temps, les reprĂ©sentations vont prĂ©senter une marche. Les dĂ©rivĂ©es, qui sont les composantes du vecteur d'Ă -coup, vont donc prendre une valeur « infinie Â», 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 phĂ©nomĂšne de sollicitation : rares sont les phĂ©nomĂšnes qui changent d'intensitĂ© instantanĂ©ment, il y a dans la plupart des cas une inertie ; par exemple, un moteur ne change pas de rĂ©gime instantanĂ©ment mais graduellement, un circuit Ă©lectrique prĂ©sente une rĂ©sistance Ă  la modification de l'intensitĂ© (en particulier en prĂ©sence de bobines d'induction) ;
  • par le comportement de la chaĂźne cinĂ©matique : Ă©lasticitĂ© des piĂšces, 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 Â» 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

Chronogrammes d'un mouvement ayant un profil de vitesse trapézoïdal.

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 :

  1. Accélération uniforme jusqu'à une vitesse donnée.
  2. Mouvement uniforme Ă  cette vitesse.
  3. 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 systĂšme ne permettant pas la rĂ©gulation de la puissance (« tout ou rien Â»), comme un vĂ©rin hydraulique, pneumatique, ou un moteur dont le circuit d'alimentation n'aurait pour Ă©tat que « ouvert Â» ou « fermĂ© Â», par exemple rĂ©gulĂ© uniquement par une butĂ©e de fin de course ; l'Ă -coup est alors limitĂ© par la vitesse d'ouverture de l'Ă©lectrovanne, du distributeur ou les propriĂ©tĂ©s d'amortissement du circuit RLC ;
  • par un automate auquel on demanderait d'envoyer instantanĂ©ment la puissance maximale dans les actionneurs, ce qui ne serait pas raisonnable ; l'Ă -coup serait alors limitĂ© par la vitesse de montĂ©e en puissance de l'ensemble ;
  • par une came ; on ne peut pas dĂ©tecter « Ă  l'Ɠil Â» un problĂšme d'Ă -coup « infini Â», 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 Â» 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 à rainure (en vert) pour créer une translation d'une piÚce (en bleu). Les parties linéaires de la rainure sont raccordées par des arcs de cercle.

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) — point le plus bas du cercle — et (τ, x0) — point le plus Ă  droite. On a donc :

et l'on a donc :

Chronogrammes correspondant au début du mouvement (partie circulaire initiale et début de la partie linéaire).

On voit que la vitesse tend vers +∞ lorsque t se rapproche de τ. 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  τ. 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 :

  • linĂ©aire ;
  • 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'accĂ©lĂ©ration maximale n'est jamais atteinte, et l'on a donc une loi d'accĂ©lĂ©ration triangulaire, les phases de montĂ©e et de descente de la vitesse ne prĂ©sentent pas de partie rectiligne ;
  • ou bien la vitesse maximale n'est jamais atteinte, la loi de vitesse ne prĂ©sente pas de plateau au milieu ;
  • et si le mouvement est trĂšs court, ni la vitesse, ni l'accĂ©lĂ©ration 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.

À-coup angulaire

Une brusque variation de couple crée une onde de cisaillement qui propage la déformation élastique.
Fonctionnement d'une croix de Malte.
Chronogrammes d'une croix de Malte sur une période (un tour complet de la roue menante).

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 :

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 discontinuitĂ© de l'accĂ©lĂ©ration angulaire α, et donc un Ă -coup angulaire « infini Â» (dirac), gĂ©nĂ©rant 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 — 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

  1. « La cinĂ©matique de l’ascenseur dĂ©crit le mouvement d’une cabine d’ascenseur dans une cage, en l’absence de masse ou de force. Il s’agit de trouver l’accĂ©lĂ©ration maximale et l’à-coup (modification de l’accĂ©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
  2. Gibbs et coll. 1998
  3. « dérivée troisiÚme », sur forums.futura-sciences.com (consulté le )
  4. (en) Theo W. Knack, « Parachute Recovery Systems Design Manual » (consulté le ), p. 5-49
  5. (en) Jean Potvin, « Universality Considerations for Graphing Parachute Opening Shock Factor Versus Mass Ratio », Journal of Aircraft, Aerospace Research Central, vol. 44, no 2,‎ , p. 529-533 (DOI 10.2514/1.24061)
  6. [PDF] (en) Peter M. Thompson, « Snap, Crackle, and Pop », sur AIAA (American Institute of Aeronautics and Astronautics

Voir aussi

Bibliographie

Articles connexes

Liens externes

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