Couple (physique)

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Introduction

De manière générale, en physique, on appelle couple tout système d'actions mécaniques dont la résultante $R$ est nulle et le moment résultant $M_{0}$ par rapport à un point O est non nul. Ce moment est alors indépendant du point O, comme démontré ci-dessous.

En mécanique, un couple désigne l'effort en rotation appliqué à un axe. Il est ainsi nommé en raison de la façon caractéristique dont on obtient ce type d'action : un bras qui tire, un bras qui pousse, les deux forces étant égales et opposées. Lorsque le couple ne s'exerce pas rigoureusement dans l'axe, il se produit une rotation de cet axe (précession).

Unité de mesure

On mesure le couple en newton-mètre (N·m). L'unité de travail, le joule (J), est homogène à un newton-mètre : un couple de 1 N·m appliqué à un axe qui tourne d'un tour représente un ajout d'énergie de 2 π J. On le représente par un vecteur dans l'axe de rotation, vers le haut pour une rotation dans le sens trigonométrique (qui est l'inverse du sens des aiguilles d'une montre), comme la vitesse de rotation.

Par rapport à un mouvement rectiligne, on a les analogies suivantes :

force F (en N)	couple C (en N·m)
masse m (en kg)	moment d'inertie I (en kg·m²)
vitesse v (en m/s)	vitesse angulaire w (en radian /s)
énergie E = 1/2 m·v² (en joules)	énergie E = 1/2 I w² (en joules)
puissance P = F·v (en W)	puissance P = C·w (en W)
accélération a = F/m (m/s²)	accélération angulaire C/I (radian/s²)

(attention : produit vectoriel pour la puissance)

Propriété fondamentale du couple

Rappel : moment d'une force

On rappelle que le moment par rapport à un point O d'une force dont le point d'application est au point M est défini par :

M_{O} = O M \land F (M)

Un théorème général

Supposons le système d'actions mécaniques représentable par un ensemble dénombrable de forces $F_{i}$ où l'indice $i = 1, \dots, n$ . Pour ce système d'actions mécaniques, le moment résultant est :

M O = \sum i = 1^{n} M i = \sum i = 1^{n} O M_{i} \land F_{i} (M_{i})

Calculons alors le moment résultant par rapport à un autre point A :

M A = \sum i = 1^{n} A M_{i} \land F_{i} (M_{i})

On écrit que chaque vecteur position se décompose comme suit :

A M_{i} = A O + O M_{i}

d'où le moment résultant :

M A = \sum i = 1^{n} A O \land F i (M_{i}) + \sum i = 1^{n} O M_{i} \land F_{i} (M_{i})

La seconde somme représente le moment résultant en O. De plus, dans la première somme, le vecteur $A O$ est indépendant de l'indice i ; on peut donc le sortir de la somme et écrire :

i = 1 \sum n A O \land F i (M_{i}) = A O \land [\sum i = 1^{n} F_{i} (M_{i})]

La somme qui apparait n'est autre que la résultante des forces :

R = i = 1 \sum n F_{i} (M_{i})

d'où le théorème général :

M_{A} = M_{O} + A O \land R

Cas particulier du couple

Le couple étant un système d'actions mécaniques dont la résultante $R$ est nulle, son moment résultant est indépendant du point choisi pour le calculer :

M_{A} = M_{O}

On utilise souvent la notation $Γ$ pour représenter le moment résultant d'un couple. Compte-tenu du résultat précédent, il n'est en effet pas nécessaire de préciser le point choisi pour calculer le moment.

Représentations d'un couple

Il existe une infinité de représentations différente d'un même couple $Γ$ donné.

Représentation la plus simple

La plus simple, qui lui donne son nom, consiste à considérer un ensemble de deux forces :

l'une, $F_{1}$ , appliqué en un point M₁ différent de l'origine O fixée.
l'autre, $F_{2} = - F_{1}$ , appliqué en un point M₂ symétrique du point M₁ par rapport à l'origine O.

Ainsi, la résultante $R = F_{1} + F_{2} = 0$ est bien nulle. On suppose de plus que les vecteurs $F_{1}$ et $F_{2}$ ne sont pas colinéaires au vecteur $M_{1} M_{2}$ ; le cas le plus simple consiste à prendre les deux forces perpendiculaires à ce vecteur :

Si on note la distance $∣∣ O M_{1} ∣∣ = ∣∣ O M_{2} ∣∣ = d$ , la norme des forces $∣∣ F_{1} ∣∣ = ∣∣ F_{2} ∣∣ = F$ , et $u$ le vecteur unitaire perpendiculaire au plan de la figure, le couple vaut explicitement :

Γ = 2 d F u

Exemples d'autres représentations

On peut représenter le même couple $Γ$ que dans l'exemple précédent par d'autres ensembles d'actions mécaniques. Par exemple, par deux forces :

l'une, $F_{1}$ , appliqué au point O .
l'autre, $F_{2} = - F_{1}$ , appliqué en un point M₃ situé à une distance non nulle de l'origine O.

Ainsi, la résultante $R = F_{1} + F_{2} = 0$ est toujours nulle. Pour simplifier, on peut encore supposer que les vecteurs $F_{1}$ et $F_{2}$ sont perpendiculaires au vecteur $O M_{3}$ :

Pour retrouver la même valeur du couple : $Γ = 2 d F u$ , il suffit de prendre par exemple une combinaison du type :

$∣∣ O M_{3} ∣∣ = d$ et : $∣∣ F_{1} ∣∣ = ∣∣ F_{2} ∣∣ = 2 F$
ou : $∣∣ O M_{3} ∣∣ = 2 d$ et : $∣∣ F_{1} ∣∣ = ∣∣ F_{2} ∣∣ = F$

Il existe une infinité de représentations possibles ...