IF' 10'' IF

cl que l'accélérai ion dans le mouvemnnt déviatoirc élait

Si donc nous désignons par <f la force accéléralrice qui agit sur le mobile, nous aurons, d'après ce qui a étt^ établi dans le numéro précédent ,

wm--m-m'

et les cosinus des angles que sa direction fait a.vec les axes auront poiir valeurs

^ i/i' f /II' ^ ili-

Pour avoir en grandeurs et en signes les composantes de la force accélératrice, il faudra multiplier ces cosinus par la valeur absolue ç de celte force, et l'on obtiendra ainsi

En multipliant ces composantes de ia force qui agit si l'unilé de niasse du mobile par sa masse m, on aura 1 composantes de la force motrice, c'est-à-dire de la for qui agit sur sa masse même. En désignant ces dernier par X , Y, Z, on aura les équations suivantes entre la for qui produit le mouvement, et les coordonnées du mobile

354 COCftS DE MÉCAinQOV.

chaque instant :

qai se réduisent aux suivantes , en supposant que le mobile ait une masse égale à Funité :

Ce sont les équations diilerentieUes du mouvement de tout point libre.

280. Usage des équations du moux^ement. — Les équations (3) ou (4) donnent le moyen de ramener au calcul toutes les questions qui peuvent se présenter sur le mouvement d^un point. Le cas le plus simple serait celui où l'on donnerait x, y, ^ en fonction de t; ou, plus généralement, trois équations finies entre x^y^ z, t. En les diflerentiant une fois par rapport à f , on connaîtrait les composantes de la vitesse du mobile. Une seconde différentiation ferait connaître les composantes de la force accélératrice, et, par conséquent, cette force elle-même en grandeur et en direction. Enfin Félimination de ^, entre les trois équations données , ferait connaître les deux équations de la trajectoire.

Mais les données de la question sont , en général , moins simples. Elles devront toujours fournir trois conditions^ puisqu'il y a quatre variables x^y\z^t^ dont une seule est indépendante : mais si l'on pouvait reconnaître à priori que la trajectoire est plane, on prendrait deux axes de coordonnées dans son plan , et il n'y aurait plus que trois varia-" blés, savoir : le temps t et les deux coordonnées, quelles qu'elles soient, du mobile.

Le cas le plus difficile est généralement celui où la force

est donnée. On connaît alors X, Y, Z en fonction de or, y^ ^, ^, et les équations du mouvement sont de la forme

Si Ton peut intégrer le système de ces trois équations différentielles du second ordre, on parviendra à trois équations entre x^y^ z, f et six constantes arbitraires. Les constantes se détermineront d*après les circonstances initiales du mouvement.

On observera , pour cela , que le mouvement du point n'est pas déterminé par la seiile connaissance de la force qui agit sur lui. Il faut encore connaître la position où il se trouve à qn certain instant , celui par exemple à partir duquel on commence à compter le temps, et, de plus, la grandeur et la direction de sa vitesse à cet instant. C'est en cela que consiste ce qu'on appelle X état initial du point y et l'on voit qu'il renferme six données nécessaires et suffisantes, les trois coordonnées du point et les trois composantes de sa vitesse.

Or il est facile , au moyen de ces données , de déterminer les six constantes introduites par Fintégration. En effet, les équations intégrales , ainsi que toutes celles qu'on en déduirait par la différentiation, ayant lieu pour toute valeur de f , seront satisfaites si l'on y fait f=o. Pour cette valeur de t on

connaît, par hypothèse, les valeurs de a:,y, ^, ^j ^j —•

En les substituant dans les équations intégrales et leurs dérivées premières, dans lesquelles on aura fait ^ = o, on aura six équations qui ne renfermeront d'inconnues que les six constantes, qui, par conséquent, seront déterminées.

Ayant ainsi trois équations entre x, y, z^t^on rentre dans le premier cas que nous avons examiné.

281 . Composantes^ langentielle et normale, de la force. — Nous avons déterminé (n° 201 ) les composantes, tangeiitîelle et normale , de Taccélération dans le mouvement dé-

d^ s viatoîre. La première est exprimée par -— ? la seconde

dt

par —> et l'accélération elle-même par

Or la force a la même direction que la déviation ou l'accélération -, elle aura donc avec ses composantes , suivant la tangente et la normale, les mêmes rapports que l'accélération et ses composantes suivant ces mêmes directions. Et comme nous venons de voir que la force accélératrice était mesurée par l'accélération du mouvement déviatoire, qui est

il en résulte que ses deux composantes -seront aussi mesurées par celles de l'accéléra ti on.

Ainsi :

La composante tangentielle de la force accélératrice est

et la composante normale, dirigée vers le centre de cour^ bure, est

R étant le rayon de courbure de la trajectoire : on désigne aussi celte dernière sous le nom de force centripète. Si au lieu de l'unité de masse on suppose une masse m, ces deux

PREMIÈRE AWNÉE. — STATIQUE. 33^

composantes se changeront en

dO R

282, Composantes tangentielle et normale de la force d'inertie, — Nous avons vu (n° 264) que toutes les fois qu'une action s'exerçait sur un corps, celui-ci exerçait toujours en sens contraire une action égale, que l'on nomme réaction ou. force d'inertie. Si l'action s'exerce par la pression ou la traction d'un autre corps , ou appareil matériel quelconque, c'est sur les points matériels en contact que s'exerce la réaction. Si elle provient d'un corps à distance, ic'est toujours sur ce corps que la réaction s'opère ] et elle est encore égale et directement opposée à l'action qui a lieu sur le premier.

Cela posé, considérons un point libre ayant une masse ni et décrivant une trajectoire quelconque sous l'action d'une certaine force , que nous nous représenterons comme produite par la traction d'un fil ou par la pression d'un autre corps ^ la force d'inertie sera appliquée à ce fil ou ce corps extérieur, au point même de l'espace où se trouve le mobile , et pourra être décomposée en deux autres égales et opposées à celles de la force appliquée au mobile : l'une

tangentielle égale à m -j-^ 5 l'autre normale égale à — •

La composante normale sera donc dans le plan osculateur de la trajectoire et dirigée du côté opposé au centre de courbure; de sorte que si l'on concevait qu'elle agît sur un point sans vitesse pendant un temps fini , ce point se mouvrait suivant la normale en s'éloignant de ce centre. C'est pour cette raison qu'on lui a donné le nom de. jorce centrifuge.

On fait quelquefois de faux raisonnements relativement à la force centrifuge , parce qu'on ne se rappelle pas assez I. * 22

338 « COURS DE MECAKIQUfc.

€|u^elle n'est pas appliquée au point en mouvement 5 mais au corps en contact avec lui , et qui , par sa pression ou. sa traction, déterminerait ce mouvement. Si l'on supposait le mouvement produit autrement que par la pression d'un corps , la réaction , comme nous Tavons dit , ne serait plus appliquée à un point en contact avec celui que Ton considère , et la dénomination de force centrifuge ne semble plus assez naturelle. Par exemple, en regardant le mouvement de la terre comme produit par l'attraction du soleil , la réaction de la terre est appliquée au soleil; sa composante normale l'est donc aussi, et Ton serait obligé de dire que la force centrifuge produite par la terre est appliquée au soleil. On ferait peut-être mieux de supprimer cette dénomination qui obscurcit quelquefois les choses , et d'employer le mot réaction, qui rappelle toujours à quel point la force et ses composantes sont appliquées.

283. La force centripète, et, par suite, la force centrifuge, a d'abord été considérée dans le cercle, et son expression s'y détermine par des considérations très-simples. En effet , si on décompose la force accélératrice qui agit sur le point, et qui est nécessairement comprise dans le plan du cercle en deux autres forces , dont l'une soit tangente et l'autre normale au cercle, le mouvement de la projection du point sur la normale sera uniquement du , comme nous le savons, à la composante. normale. Or, en supposant cette composante constante de grandeur et de direction pendant un temps infiniment petit rff , la théorie du mouvement uniformément accéléré apprend que sa valeur sera égale au double de l'espace parcouru suivant la normale divisée par le carré du temps. Cet espace est égal au carré de la corde, ou de l'arc ds ^ dont il est la projection, divisé par le dia-

mètre 2R; donc la composante normale est égale à -— ou

PREMIÈRE ANNÉE. STATIQUE. 33g

à - • Telle est donc , dans le cercle, Texpression de la force

//ïp*

centripète ou de la force centrifuge. Elle serait -^ pour le

point dont la masse serait m.

Si Ton désigne par o) la vitesse angulaire du rayon qui contient le mobile, on aura

et l'expression de ces forces devient

mw'R, ou encore

'pa

en désignant par T le temps que le point met À décrire le cercle.

En supposant que le mobile sait obligé de décrire le cercle au moyen d'une tige ou d'un fil, sans masse, de longueur invariable , dont une extrémité est fixée au centre, ce fil tire le point et produit sur lui la force centripète 5 il est tiré à son tour par la force centrifuge. Ces deux forces en équilibre sur le fil déterminent sa tension.

Si l'on supposait, au lieu de cela, un cercle matériel que le mobile ne pourrait quitter, par exemple un anneau creux infiniment étroit, dans l'intérieur duquel serait le point en mouvement , ce cercle exercerait sur lui une force dirigée vers le centre*, et, réciproquement, celui-cî en exercerait une autre sur ce cercle, égale et directement opposée.

Enfin on peut concevoir un mode de liaison quelconque qui oblige le point à décrire un cercle. Nous allons en donner un exemple très -simple et très-important par les conséquences qui s'en déduisent relativement à la pesanteur.

34o COURS DE MKCANIQ1IE.

284. Injluence du mous^cinent de rotation de la terre sur la pesanteur, — Considérons un système de forme invariable et dont les points exercent les uns sur hes autres des actions quelconques détruites par leur liaison mutuelle, et donnons-lui un mouvement de rotation uniforme autour d^un axe. Il est facile de reconnaître qu'alors les liaisons du système détruisent, pour cliaque point matériel, les actions mutuelles qu'il subissait dans Fétat primitif, jointes à la force centrifuge correspondante à sa masse et à son mouvement.

En effet , on peut ajouter à toutes les actions primitives la force centripète et la force centrifuge relatives à chaque point, puisque ces deux forces se détruiront. Or la force centripète produirait le mouvement du point s'il était libre ^ il faut donc que toutes les autres soient détruites: donc la résultante des actions mutuelles primitives exercées sur chaque point, et de la force centrifuge considérée alors comme appliquée à ce point même, est détruite par les liaisons.

Soient /• la distance d'un point quelconque du corps î» l'axe, et T le temps de la révolution entière^ la vitesse de ce

point sera -— > et la force centrifuge -W— On voit qu'elle

est proportionnelle à la distance de l'axe; elle est donc nulle aux extrémités de Taxe, et la plus grande possible pour le point le plus éloigné de l'axe.

La terre est animée d'un mouvement de rotation qui , comme nous venons de l'expliquer, introduit parmi les forces détruites par la liaison des points , une force centrifuge qui n'existerait pas si elle n'avait qu'un mouvement de translation, par lequel tous ses points décriraient, dans un même temps infiniment petit, des droites égales et parallèles. Ce mouvement de rotation s'effectue dans 86164 se-

phemière année. — statique. 34 i

condes , et l'on a , par conséquent ,

A Féquatcur, la rotation de la terre et la force centrifuge étant directement opposées , la pesanteur a une valeur égale à celle qu'elle aurait si la rotation n'avait pas lieu , diminuée de la force centrifuge. Si Ton fait d'abord abstraction du petit changement de la pesanteur à la surface de la terre, on pourra la regarder comme égale à g' à Téquateur, et si Ton appelle G celle qui aurait lieu si la terre ne tournait pas sur elle-même , et qui est la résultante des actions mutuelles* on aura

o^= G — -^ — Mais 2 7rr=: 40000000; donc on aura à peu près

ou, à très peu près,

La gravité est donc diminuée environ de jj^ de sa valeur par la force centrifuge à Téquateur. Et comme 289 est le carré de 17 et que la force centrifuge est proportionnelle au carré de la vitesse 5 si le mouvement de rotation était environ 17 fois plus rapide, la pesanteur serait nulle k Véquateur.

Sur un parallèle quelconque, la force centrifuge n'est pas directement opposée à l'attraction de la terre, mais elle change très-peu la direction de cette attraction ou de la gravité, et la diminution de son intensité est sensiblement égale à la projection de la force centrifuge sur la normale

à la sphère , ou -^ ? /' étant le rayon du parallèle ,

et X sa latitude. Or, en supposant la terre sphérique, on

aura

r z=z r cos \ ,

et la diminution de la pesanteur sur ce parallèle sera

•47rV

Elle varie de l'éqùateur au pôle proportionnellement au carré du cosinus de la latitude. Mais la terre n'étant pas tout à fait sphérique, il en résulte une autre diminution proportionnelle au carré du cosinus de la latitude, et qui s'ajoute à la première; de sorte que- le poids d'un corps transporté du pôle à Téquateur diminue de 77^ au lieu de ^-