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Moment d'inertie des formes courantes et énergie de rotation

Calculez le moment d'inertie d'un disque, d'un anneau, d'un tube, d'une sphère, d'une tige ou d'une plaque, avec son rayon de giration et l'énergie stockée en rotation.

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tr/min

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Résultats

Moment d'inertie

0,1125

Énergie cinétique de rotation à cette vitesse

5 552

Rayon de giration
10,607
Moment cinétique
35,34 kg·m²/s
Vitesse angulaire
314,2 rad/s

La masse de la rotation

Quand on pousse un chariot, sa masse s’oppose au changement de vitesse. Quand on fait tourner une roue, la résistance dépend non seulement de la masse mais de sa position : une masse éloignée de l’axe est bien plus difficile à mettre en rotation, et à arrêter. Cette inertie de rotation est le moment d’inertie, I, exprimé en kg·m² :

I = Σ m r²

Chaque élément de masse compte avec le carré de sa distance à l’axe. Doubler le rayon d’une roue de même masse multiplie son moment d’inertie par quatre.

Formules des formes courantes

Forme Moment d’inertie
Cylindre plein ou disque, autour de son axe ½ m r²
Anneau ou tube à paroi mince m r²
Tube épais ½ m (r₁² + r₂²)
Sphère pleine ⅖ m r²
Sphère creuse à paroi mince ⅔ m r²
Tige autour de son centre m L² ÷ 12
Tige autour d’une extrémité m L² ÷ 3
Plaque rectangulaire autour de son centre m (a² + b²) ÷ 12

Exemple

Un volant d’inertie en acier en forme de disque plein pèse 10 kg et mesure 15 cm de rayon :

  • I = ½ × 10 × 0,15² = 0,1125 kg·m².
  • Rayon de giration : 0,707 × 15 cm = 10,6 cm.
  • À 3 000 tr/min (314,2 rad/s), il stocke ½ × 0,1125 × 314,2² ≈ 5 552 joules, de quoi soulever une masse de 50 kg à plus de 11 m.

La même masse répartie en une jante mince de même rayon aurait un moment d’inertie double et stockerait deux fois plus d’énergie.

Applications

  • Moteurs et volants d’inertie : un volant lourd régularise les à-coups d’un moteur à pistons ; un volant allégé permet au moteur de monter plus vite en régime.
  • Sport : une patineuse ramène les bras contre elle pour réduire son moment d’inertie et tourner plus vite, car le moment cinétique I × ω se conserve.
  • Vélo et automobile : la masse en rotation des roues coûte de l’énergie à chaque accélération, d’où l’intérêt des jantes légères.
  • Conception mécanique : le choix d’un moteur de convoyeur, de ventilateur ou de robot dépend de l’inertie de la charge.

Remarques

Les formules supposent une masse volumique uniforme et un axe passant par le centre de masse, sauf pour la tige tournant autour d’une extrémité. Pour un autre axe parallèle, ajoutez m d², d étant la distance entre les axes (théorème de Huygens). Ce calculateur donne le moment d’inertie de masse, pas le moment quadratique de section utilisé en résistance des matériaux pour la flexion des poutres.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que le moment d'inertie ?

C'est la résistance d'un objet à la modification de sa rotation, l'équivalent de la masse pour les mouvements de rotation. Il dépend de la masse et de sa distance à l'axe : I = Σ m r².

Pourquoi un anneau a-t-il plus d'inertie qu'un disque de même masse ?

Toute la masse d'un anneau se trouve au rayon extérieur, d'où I = mr². Un disque plein répartit sa masse du centre vers le bord, d'où I = ½mr². C'est pourquoi les volants d'inertie concentrent leur masse dans une jante lourde.

Qu'est-ce que le rayon de giration ?

La distance à l'axe à laquelle il faudrait concentrer toute la masse pour obtenir le même moment d'inertie : k = √(I ÷ m). Pour un disque plein, il vaut environ 0,707 fois le rayon.

Comment calcule-t-on l'énergie de rotation ?

E = ½ I ω², où ω est la vitesse angulaire en radians par seconde (tr/min × 2π ÷ 60). Un disque de 10 kg et 15 cm de rayon tournant à 3 000 tr/min stocke environ 5 550 joules.

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Résultats indicatifs fournis à titre d'information. Ils ne remplacent pas l'avis d'un professionnel.