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Sciences de l'ingénieur (spécialité) · TerminaleBac

Dynamique du solide : cours de Terminale SI

Publié le 6 novembre 2026 · Mis à jour le 6 novembre 2026 · Signaler une erreur

L'essentiel

  • La dynamique relie les actions mécaniques appliquées à un solide au mouvement qu'il prend : en translation, la masse et l'accélération ; en rotation, le moment d'inertie et l'accélération angulaire.2
  • Le principe fondamental de la dynamique (PFD) porte aussi le nom de deuxième loi de Newton ; appliqué à un solide immobile, il redonne le principe fondamental de la statique.2
  • Seules les actions extérieures comptent : les actions intérieures se compensent deux à deux.3
  • Pour une rotation autour d'un axe fixe, on projette sur l'axe : les actions de liaison de l'axe n'interviennent plus dans l'équation.3
  • Méthode : isoler, inventorier les actions, choisir le référentiel, écrire le PFD, projeter, résoudre, vérifier les unités.

Pourquoi étudier la dynamique du solide ?

Un ascenseur démarre, une perceuse monte en vitesse, un bras de robot freine avant de saisir une pièce. Dans tous ces cas, le mouvement change au cours du temps. Pour dimensionner un moteur, choisir un frein ou prévoir le temps de démarrage d'un système, il faut savoir relier ce changement de mouvement aux efforts appliqués.

C'est le rôle de la dynamique. Elle établit un lien entre la masse d'un objet, qui mesure sa résistance à changer de mouvement, et l'accélération que lui communiquent les forces qu'il subit.2 Elle traite aussi la rotation d'un solide, un mouvement très présent dans l'industrie à travers les machines tournantes.3

Dans ce cours, tu vas suivre un fil conducteur simple : on isole un solide, on recense les actions qu'il subit, puis on écrit une équation qui relie ces actions à son mouvement. Tu rencontreras deux versions de cette équation, l'une pour la translation, l'autre pour la rotation autour d'un axe fixe.

De la statique à la dynamique

En statique, on étudie un solide immobile : les actions qui s'exercent sur lui s'équilibrent. En dynamique, on étudie ce qui se passe quand elles ne s'équilibrent plus : le solide accélère, ralentit ou change de direction.

Les deux ne sont pas deux théories séparées. Le principe fondamental de la dynamique, une fois appliqué à un solide immobile dans son propre référentiel, redonne le principe fondamental de la statique.2 La statique est donc un cas particulier de la dynamique : celui où l'accélération est nulle.

La translation : la deuxième loi de Newton

Quand un solide se déplace sans tourner (toutes ses parties ont la même vitesse), on parle de translation. Le principe fondamental de la dynamique en translation correspond à la deuxième loi de Newton.2 Pour un solide de masse mm soumis à des actions extérieures dont la résultante est R⃗ext\vec{R}_{ext}, et dont le centre d'inertie GG a une accélération a⃗G\vec{a}_G, la relation s'écrit :

R⃗ext=m a⃗G\vec{R}_{ext} = m\,\vec{a}_G

Cette écriture traduit le lien entre masse, accélération et forces que décrit la source.2 Elle se lit ainsi : plus la masse est grande, plus il faut de force pour obtenir une même accélération ; à masse fixée, plus la force résultante est grande, plus l'accélération est grande, et elle a la même direction et le même sens que la résultante.

Actions intérieures, actions extérieures : bien isoler le système

Une machine est composée de nombreux solides qui s'appuient les uns sur les autres. La première question à se poser est : quel ensemble j'isole ? Ce choix détermine quelles actions sont « extérieures » et quelles actions sont « intérieures ».

La loi des actions mutuelles de Newton (énoncée dans les lois du mouvement de 1687) apporte une grande simplification : dans un système matériel, le torseur des forces intérieures est nul. Il ne reste donc, dans le principe fondamental de la dynamique, que les forces extérieures : le torseur dynamique du système est égal au torseur de ces seules forces.3

La rotation autour d'un axe fixe

De nombreux systèmes tournent : arbres de moteur, roues, tambours, bras articulés. Le principe fondamental de la dynamique comporte alors un « volet » sur la rotation.2 On le retrouve dans l'étude de la rotation d'un solide dans un référentiel supposé galiléen autour d'un axe (Δ)(\Delta) fixe dans ce référentiel : le mouvement n'a alors qu'un seul degré de liberté, que l'on peut prendre égal à l'angle θ\theta de rotation.3

Pour ce mouvement, les actions de l'axe sur le solide (les réactions d'axe) sont inconnues a priori. Elles bloquent la position du point OO de l'axe, et la projection de leur moment sur l'axe est nulle.3 Cela veut dire que, si l'on écrit l'équation projetée sur l'axe, ces réactions d'axe disparaissent : c'est ce qui rend l'étude de la rotation simple.

Cette formule intégrale n'est pas à calculer au lycée : en pratique, le moment d'inertie est donné par le sujet, par une documentation constructeur ou par un modèle numérique. Retiens l'idée : la masse située loin de l'axe compte beaucoup plus que la masse proche de l'axe, puisque la distance est élevée au carré.

Pour des masses ponctuelles mim_i situées à des distances did_i de l'axe, la même idée donne la somme JΔ=∑mi di2J_\Delta = \sum m_i\, d_i^2. Cette écriture rejoint l'idée de la source : le solide est vu comme formé de nombreux points matériels de masse mim_i, décrivant des cercles de rayon did_i autour de l'axe.3

Méthode de résolution d'un problème de dynamique

Simuler un système : choisir ses paramètres

Les équations de la dynamique servent à construire un modèle que l'on simule numériquement. Au programme de Terminale, il faut savoir régler les paramètres d'une simulation : la durée, l'incrément temporel, le choix des grandeurs affichées et les échelles adaptées à l'amplitude et à la dynamique des grandeurs simulées.1

Erreurs fréquentes et réflexes à acquérir

Exercices corrigés

Exercice 1 Accélération d'un chariot de manutention

★☆☆Environ 8 min

Un chariot de masse m=800 kgm = 800\ \text{kg} roule sur un sol horizontal. Son moteur exerce une force motrice de 2 900 N2\,900\ \text{N} et les frottements s'opposent à son mouvement avec une force de 500 N500\ \text{N}. Calcule l'accélération du chariot (en m/s2\text{m/s}^2).

Indice 1

Fais d'abord la résultante des forces horizontales, en tenant compte des signes.

Indice 2

Utilise Rext=m aR_{ext} = m\,a.

Voir la correction pas à pas
  1. Système isolé : le chariot. Référentiel : le sol, supposé galiléen. Axe xx orienté dans le sens du mouvement.

  2. Actions horizontales : force motrice +2 900 N+2\,900\ \text{N}, frottements −500 N-500\ \text{N}. Le poids et la réaction du sol sont verticaux et s'équilibrent ; ils n'interviennent pas sur xx.

  3. Résultante : Rext=2 900−500=2 400 NR_{ext} = 2\,900 - 500 = 2\,400\ \text{N}.

  4. PFD projeté sur xx : Rext=m aR_{ext} = m\,a, donc a=2 400800=3 m/s2a = \dfrac{2\,400}{800} = 3\ \text{m/s}^2.

Le chariot accélère à 3 m/s23\ \text{m/s}^2 dans le sens du mouvement. Le signe positif confirme qu'il accélère.

Exercice 2 Montée en vitesse d'un arbre

★★☆Environ 12 min

Un arbre de transmission a un moment d'inertie J=0,5 kg⋅m2J = 0{,}5\ \text{kg}\cdot\text{m}^2 par rapport à son axe. Il est entraîné par un moteur de couple 14 N⋅m14\ \text{N}\cdot\text{m} ; les frottements exercent un couple résistant de 2 N⋅m2\ \text{N}\cdot\text{m}. L'arbre part de l'arrêt. Calcule sa vitesse angulaire (en rad/s) après 2 s2\ \text{s}, en supposant les couples constants.

Indice 1

Calcule d'abord le moment résultant sur l'axe.

Indice 2

L'accélération angulaire est constante : ω=θ¨ t\omega = \ddot\theta\,t en partant de l'arrêt.

Voir la correction pas à pas
  1. Système : l'arbre, en rotation autour d'un axe fixe. Sens positif : celui du couple moteur.

  2. Moment résultant projeté sur l'axe : ∑MΔ=14−2=12 N⋅m\sum M_\Delta = 14 - 2 = 12\ \text{N}\cdot\text{m}. Les réactions d'axe n'apparaissent pas, leur moment projeté sur l'axe étant nul.

  3. Équation de la dynamique en rotation : J θ¨=∑MΔJ\,\ddot\theta = \sum M_\Delta, donc θ¨=120,5=24 rad/s2\ddot\theta = \dfrac{12}{0{,}5} = 24\ \text{rad/s}^2.

  4. Accélération constante, départ de l'arrêt : ω=θ¨×t=24×2=48 rad/s\omega = \ddot\theta \times t = 24 \times 2 = 48\ \text{rad/s}.

Après 2 s2\ \text{s}, l'arbre tourne à 48 rad/s48\ \text{rad/s}, soit environ 458 tr/min458\ \text{tr/min}.

Exercice 3 Moment d'inertie d'un rotor à masses ponctuelles

★★★Environ 15 min

On modélise un petit rotor par deux masses ponctuelles identiques de 0,5 kg0{,}5\ \text{kg} chacune, placées à 0,4 m0{,}4\ \text{m} de l'axe de rotation, de part et d'autre de celui-ci. La tige qui les relie est de masse négligeable. Un couple moteur constant de 0,8 N⋅m0{,}8\ \text{N}\cdot\text{m} est appliqué, les frottements sont négligés. Calcule l'accélération angulaire du rotor (en rad/s2\text{rad/s}^2).

Indice 1

Utilise JΔ=∑mi di2J_\Delta = \sum m_i\,d_i^2.

Indice 2

Ensuite, applique JΔθ¨=∑MΔJ_\Delta\ddot\theta = \sum M_\Delta.

Voir la correction pas à pas
  1. Chaque masse ponctuelle contribue pour mi di2m_i\,d_i^2 au moment d'inertie, puisque le solide est vu comme un ensemble de points matériels décrivant des cercles autour de l'axe.

  2. Une masse : 0,5×0,42=0,5×0,16=0,08 kg⋅m20{,}5 \times 0{,}4^2 = 0{,}5\times 0{,}16 = 0{,}08\ \text{kg}\cdot\text{m}^2. Pour les deux : JΔ=2×0,08=0,16 kg⋅m2J_\Delta = 2 \times 0{,}08 = 0{,}16\ \text{kg}\cdot\text{m}^2.

  3. Frottements négligés : le seul moment est celui du moteur, ∑MΔ=0,8 N⋅m\sum M_\Delta = 0{,}8\ \text{N}\cdot\text{m}.

  4. Équation de la rotation : θ¨=0,80,16=5 rad/s2\ddot\theta = \dfrac{0{,}8}{0{,}16} = 5\ \text{rad/s}^2.

Le rotor accélère à 5 rad/s25\ \text{rad/s}^2. Si les masses étaient placées à 0,8 m0{,}8\ \text{m} de l'axe, le moment d'inertie serait multiplié par quatre et l'accélération angulaire divisée par quatre : la distance à l'axe pèse au carré.

Quiz

8 questions · correction immédiate · ton score reste sur ton appareil.

  1. Quels sont les noms du principe fondamental de la dynamique ?

  2. Un solide de masse 50 kg50\ \text{kg} subit une résultante de 200 N200\ \text{N}. Quelle est son accélération en m/s2\text{m/s}^2 ?

  3. Quand on isole un système, quelles actions inscrit-on dans le bilan du PFD ?

  4. Un solide se déplace en ligne droite à vitesse constante. La résultante des actions extérieures est non nulle.

  5. Pour la rotation d'un solide autour d'un axe fixe, pourquoi les réactions d'axe n'apparaissent-elles pas dans l'équation projetée sur l'axe ?

  6. Un tambour de moment d'inertie 2 kg⋅m22\ \text{kg}\cdot\text{m}^2 reçoit un moment résultant de 10 N⋅m10\ \text{N}\cdot\text{m}. Quelle est son accélération angulaire en rad/s2\text{rad/s}^2 ?

  7. Dans la définition du moment d'inertie, la distance à l'axe est élevée au carré. Quelle conséquence ?

  8. Parmi ces paramètres, lesquels se règlent dans une simulation ?

    Plusieurs réponses possibles.

Les questions qu'on se pose

À quoi sert la dynamique du solide en sciences de l'ingénieur ?

Elle permet de prévoir le mouvement d'un système à partir des actions qu'il subit, ou l'inverse : trouver le couple ou la force nécessaires pour obtenir une accélération donnée. Elle sert donc à choisir un moteur, un réducteur ou un frein. Elle relie la masse et l'accélération sous l'effet de forces,2 et s'applique aussi aux machines tournantes.3

Quelle est la différence entre le PFD et le PFS ?

Le PFS (statique) traite un solide immobile, où les actions s'équilibrent. Le PFD (dynamique) traite le cas général, avec une accélération. Pour un solide immobile, le PFD redonne le PFS : la statique est un cas particulier de la dynamique.2

Pourquoi ne faut-il pas écrire les actions intérieures dans le PFD ?

Parce que, d'après la loi des actions mutuelles, le torseur des forces intérieures à un système est nul : elles se compensent deux à deux. Seules les forces extérieures restent alors face au torseur dynamique.3 Les écrire serait inutile et source d'erreurs de signe.

Comment savoir si je dois utiliser l'équation de translation ou de rotation ?

Regarde le mouvement. Si toutes les parties du solide avancent ensemble sans tourner, c'est de la translation : tu écris ∑F⃗ext=m a⃗G\sum \vec F_{ext} = m\,\vec a_G. Si le solide tourne autour d'un axe fixe, tu écris JΔ θ¨=∑MΔJ_\Delta\,\ddot\theta = \sum M_\Delta ; le mouvement n'a alors qu'un degré de liberté, l'angle.3 Pour un solide qui avance et tourne à la fois, on utilise les deux volets du PFD.2

Que dois-je savoir sur la simulation pour le Bac ?

Tu dois savoir régler les paramètres : durée, incrément temporel, grandeurs affichées et échelles adaptées à l'amplitude et à la dynamique des grandeurs.1 Retiens aussi de comparer le résultat à un calcul simple pour vérifier que le modèle est cohérent.

Sources

Programme visé : Programme de Sciences de l'Ingénieur – Terminale · Ministère de l'Éducation Nationale (Bulletin officiel)

  1. Programme de Sciences de l'Ingénieur – Terminale, Ministère de l'Éducation Nationale (Bulletin officiel). Consulté le 6 novembre 2026.
  2. Principe fondamental de la dynamique, Wikipédia. Consulté le 6 novembre 2026.
  3. Dynamique de rotation, Wikipédia. Consulté le 6 novembre 2026.

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