Machines simples

Principes des machines simples

Une machine est destinée à transmettre simplement un travail mécanique d'une partie d'un appareil à une autre. Comme une machine produit une force, elle contrôle également la direction et le mouvement de la force, mais elle ne peut pas créer d'énergie. La capacité d'une machine à effectuer un travail est mesurée par deux facteurs : l'avantage mécanique et l'efficacité.

Avantage mécanique :

Dans les machines qui ne transmettent que de l'énergie mécanique, le rapport entre la force exercée par la machine et la force appliquée à la machine est connu sous le nom d'avantage mécanique. Avec l'avantage mécanique, la distance parcourue par la charge ne sera qu'une fraction de la distance où l'effort est appliqué. Bien que les machines puissent fournir un avantage mécanique supérieur à \N ( 1,0 \N) (et même inférieur à \N ( 1,0\N) si on le souhaite), aucune machine ne peut faire plus de travail mécanique que le travail mécanique qui lui a été fourni.

Efficacité :

L'efficacité d'une machine est simplement le rapport entre le travail qu'elle fournit et le travail qu'on lui consacre. Même si l'on peut réduire les frottements en huilant les pièces coulissantes ou rotatives, toutes les machines produisent des frottements. Les machines simples ont toujours un rendement inférieur à \( 1,0\) en raison des frottements internes.

Conservation de l'énergie :

Si nous ignorons les pertes d'énergie dues au frottement, le travail effectué sur une machine simple serait le même que le travail effectué par la machine pour accomplir une tâche quelconque. Si le travail entrant est égal au travail sortant, alors la machine est efficace.

Types de machines simples

Dans le langage courant, le terme travail peut être utilisé pour décrire une variété de concepts. Cependant, en physique, ce terme a une définition beaucoup plus précise.

Une machine facilite le travail grâce à une ou plusieurs des fonctions suivantes :

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• transférer une force d'un endroit à un autre
• changer la direction d'une force
• augmenter l'ampleur d'une force
• augmenter la distance ou la vitesse d'une force

Six types classiques de machines simples facilitent le travail et ne comportent que peu ou pas de pièces mobiles : la cale, la vis, la poulie, le plan incliné, le levier, l'essieu et la roue (engrenage).

Découvronschacune de ces machines simples.

Cale

Un coin est une machine simple utilisée pour fendre un matériau. Un coin est un outil de forme triangulaire et constitue un plan incliné portable. Le coin peut être utilisé pour séparer deux objets ou parties d'un objet, soulever un objet ou maintenir un objet en place. Les cales sont présentes dans de nombreux outils de coupe tels qu'un couteau, une hache ou des ciseaux. En prenant l'exemple d'une hache, lorsque tu places l'extrémité fine du coin sur une bûche, tu peux la frapper avec un marteau. La cale change la direction de la force et écarte la bûche.

N'oublie pas que plus un coin est long et fin ou pointu, plus il est efficace. Cela signifie que l'avantage mécanique est également plus élevé. En effet, l'avantage mécanique d'un coin est donné par le rapport entre la longueur de sa pente et sa largeur. Bien qu'une cale courte avec un angle large puisse effectuer un travail plus rapidement, elle nécessite plus de force qu'une cale longue avec un angle étroit.

Différents types de coins sont utilisés pour faciliter le travail de bien des façons. Par exemple, à l'époque préhistorique, les coins étaient utilisés pour fabriquer des lances pour la chasse. De nos jours, les coins sont utilisés dans les voitures et les jets modernes. As-tu déjà remarqué les nez pointus des voitures rapides, des trains ou des hors-bords ? Ces cales "coupent l'air" en réduisant la résistance de l'air, ce qui permet à la machine d'aller plus vite.

Vis

Une vis est un plan incliné enroulé autour d'une tige centrale. Il s'agit généralement d'un élément cylindrique circulaire doté d'une nervure hélicoïdale continue, utilisé soit comme attache, soit comme modificateur de force et de mouvement. Une vis est un mécanisme qui convertit un mouvement de rotation en mouvement linéaire et un couple en force linéaire. Les vis sont généralement utilisées pour fixer des objets ou maintenir des choses ensemble. Les boulons, les vis, les bouchons de bouteille, les accordeurs de guitare, les ampoules, les robinets et les ouvre-bouchons sont de bons exemples de vis.

Lorsque tu utilises une vis, tu peux remarquer qu'il est plus facile de l'enfoncer dans un objet si l'espace entre les filets est plus petit ; cela demande moins d'effort mais plus de tours. Ou bien, si les espaces entre les filets sont plus larges, il est plus difficile de percer une vis dans un objet. Il faut plus d'effort mais moins de tours. L'avantage mécanique d'une vis dépend de l'espace entre les filets et de l'épaisseur de la vis. En effet, plus les filets sont proches, plus l'avantage mécanique est important.

Poulie

Une poulie est une roue avec une rainure et une corde dans la rainure. La rainure permet de maintenir la corde en place lorsque la poulie est utilisée pour soulever ou abaisser des objets lourds. La force descendante fait tourner la roue avec la corde et tire la charge vers le haut à l'autre extrémité. Une poulie peut également déplacer des objets d'un endroit bas à un endroit plus élevé. Une poulie possède une roue qui te permet de changer la direction d'une force. Lorsque tu tires la corde vers le bas, la roue tourne et ce qui est attaché à l'autre extrémité monte. Tu connais peut-être un système de poulie pour avoir vu un drapeau hissé sur un mât. Il existe trois types de poulies : les poulies fixes, les poulies composées et les poulies mobiles. Chaque système de poulie dépend de la façon dont la roue et les cordes sont combinées. Les ascenseurs, les monte-charges, les puits et les appareils d'exercice utilisent également des poulies pour fonctionner.

Plan incliné

Un plan incliné est une machine simple sans pièces mobiles. Une surface à pente régulière nous permet de déplacer plus facilement des objets vers des surfaces plus hautes ou plus basses que si nous soulevions les objets directement. Un plan incliné peut également t'aider à déplacer des objets lourds. Tu connais peut-être un plan incliné sous la forme d'une rampe ou d'un toit.

L'avantage mécanique est plus grand si la pente n'est pas raide, car il faut moins de force pour déplacer un objet vers le haut ou vers le bas de la pente.

Le levier comme machine simple

Un levier est une barre rigide reposant sur un pivot à un endroit fixe appelé point d'appui. Une balançoire à bascule est un excellent exemple de levier.

Fig. 1 - La balançoire à bascule est un exemple de machine simple.

Les parties d'un levier sont les suivantes :

1. Fulcrum : le point sur lequel le levier repose et pivote.
2. Effort (force d'entrée) : caractérisé par la quantité de travail que l'opérateur effectue et est calculé comme la force utilisée multipliée par la distance sur laquelle la force est utilisée.
3. Charge (force de sortie) : l'objet déplacé ou soulevé, parfois appelé résistance.

Pour soulever le poids à gauche (la charge), une force d'effort vers le bas est nécessaire sur le côté droit du levier. La quantité de force d'effort nécessaire pour soulever la charge dépend de l'endroit où la force est appliquée. La tâche sera plus facile si la force d'effort est appliquée le plus loin possible du point d'appui.

Fig. 2 - Un exemple de machine simple à charge et à effort.

Les couples sont impliqués dans les leviers puisqu'il y a une rotation autour d'un point de pivot. Les distances par rapport au pivot physique du levier sont cruciales, et nous pouvons obtenir une expression utile pour le MA en fonction de ces distances.

Catégories de leviers

Il existe trois classes de leviers : 1ère classe, 2ème classe et 3ème classe.

Leviers de 1ère classe

Le point d'appui est placé entre l'effort et la charge. Ce type de leviers procure ou non un avantage mécanique, selon l'emplacement de la force d'effort. Si l'effort est appliqué plus loin du point d'appui que la charge, tu obtiens un avantage mécanique (multiplicateur de force). En revanche, si tu appliques la force d'effort plus près du point d'appui que de la charge, tu travailles avec un désavantage mécanique (ou un avantage < 1).

Leviers de 2e classe

La charge se trouve toujours entre l'effort et le point d'appui. Ces types de leviers produisent un avantage mécanique (MA >1) car la force d'effort est appliquée plus loin du point d'appui que la charge. La force d'effort et la charge sont toujours du même côté du point d'appui.

Leviers de 3e classe

L'effort se situe entre la charge et le point d'appui. Ces types de leviers donnent un désavantage mécanique mais permettent une grande amplitude de mouvement de la charge. De nombreux systèmes hydrauliques utilisent un levier de 3ème classe car le piston de sortie ne peut se déplacer que sur une courte distance.

Pour classer les leviers, il est préférable de les associer à ce qui se trouve au milieu. Une astuce facile consiste à se rappeler : 1-2-3, F-L-E. En te souvenant de ce simple truc, tu sauras ce qui se trouve au milieu.

Par exemple, dans un levier de deuxième classe, la charge est positionnée au milieu du système. Les leviers procurent un avantage mécanique. L'avantage mécanique idéal est défini comme le nombre de fois que la machine multipliera la force d'effort. L'avantage mécanique est un rapport entre le côté entrée (effort) et le côté sortie (charge) de la machine. Ces valeurs sont la distance entre le point d'appui et l'effort (I) et la distance entre le point d'appui et la charge (O). L'avantage mécanique idéal est un facteur par lequel une machine modifie (augmente ou diminue) la force d'entrée.

$$\mathrm{I M A}=I / O$$$

Lorsque la force d'entrée (effort) est appliquée à une plus grande distance du point d'appui que l'emplacement de la charge, l'avantage mécanique est amplifié. En plus de la distance, \(\mathrm{IMO}\) peut également être relié à la force par la formule suivante.

$$F_L=(\mathrm{I M A})F_e,$$$

où \( F_L\) est la charge que l'opérateur peut soulever, alias la charge ou la force de sortie, et \(F_E\) est la force d'effort.

L'engrenage en tant que machine simple

Fig. 5 - Un système d'engrenage est une machine simple.

Un engrenage est une machine simple de type roue et essieu qui possède des dents le long de la roue. Ils sont souvent utilisés en combinaison les uns avec les autres et changent la direction des forces. La taille de l'engrenage détermine sa vitesse de rotation. Les engrenages sont utilisés dans les machines pour augmenter la force ou la vitesse.

Si tu as déjà essayé de monter une pente raide à bicyclette, tu sais probablement comment fonctionnent les engrenages. Il est pratiquement impossible de gravir la colline si tu n'as pas le bon engrenage pour augmenter ta force de montée. De même, si tu fais du vélo, tu sais qu'en ligne droite, en vitesse ou en montée, une force spécifique est utilisée pour générer plus de vitesse ou envoyer le vélo dans une autre direction. Tout cela est lié à l'engrenage dans lequel se trouve ton vélo.

Les engrenages sont brillamment utiles, mais il y a une chose dont il faut tenir compte. Si un engrenage te donne plus de force, il doit aussi faire tourner la roue plus lentement. S'il tourne plus vite, il doit te donner moins de force. C'est pourquoi, lorsque tu montes une côte en petite vitesse, tu dois pédaler beaucoup plus vite pour parcourir la même distance. Lorsque tu te déplaces en ligne droite, les vitesses te donnent plus de vitesse, mais elles diminuent la force que tu produis avec les pédales dans la même proportion. Les engrenages sont avantageux pour toutes sortes de machines, et pas seulement pour les bicyclettes. C'est un moyen simple de générer de la vitesse ou de la force. En physique, on dit donc que les engrenages sont des machines simples.

Exemples de machines simples

Tu te demandes peut-être à quoi ressemblent des exemples quotidiens de machines simples. Jette un coup d'œil au tableau ci-dessous qui présente quelques exemples des différents types de machines simples. Y a-t-il des exemples qui te surprennent ?

Travaillons sur quelques problèmes de machines simples.