Sciences et Techniques LA MACHINE SIMPLE
Publié le 27/01/2019
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bicyclette, où l'effort de pédalage passe par un jeu de disques tournants de diamètres variés, que l'on choisit en fonction de la nature du terrain, avant d'être transmis à la roue arrière.
Le palan
Pour soulever de lourdes charges, on a imaginé d'ingénieux systèmes de poulies qui procurent un avantage mécanique conséquent. Dans de tels systèmes, appelés palans, on juxtapose deux rangées de poulies, la corde passant d'une roue à l'autre de telle façon qu'en tirant sur elle la rangée inférieure de poulies est hissée vers la rangée supérieure, soulevant avec elle la charge à déplacer. Comme la corde passe plusieurs fois de la rangée supérieure à la rangée inférieure de poulies, il faut tirer la corde sur une distance conséquente pour obtenir un petit déplacement vertical. Mais, en vertu du système démultiplicateur propre au palan, l'effort à déployer se
.. Une presse à cylindres utilisée pour la reliure des livres. Les feuilles de papier sont serrées entre des cylindres, mises en rotation par une roue (à gauche) actionnée à la main. Avant cette invention, les feuilles devaient être serrées à coups de marteau.
trouve considérablement réduit. Les palans sont fréquemment utilisés sur les bateaux pour hisser les voiles, ou dans les usines où ils sont généralement actionnés par des systèmes électriques ou pneumatiques.
Tous ces mécanismes simples demeurent, de nos jours, les éléments de base des mécaniques complexes que nous utilisons. Roues, leviers, engrenages, palans, poulies, etc., remplissent une double fonction: ils économisent l'énergie humaine, et, en tant que composants de mécanismes plus complexes, transmettent les mouvements d'une partie à l'autre.
guerre aux roues pleines. Très vite, l'usage de la roue ne s'est plus limité aux transports civils ou guerriers. En effet, à partir de la roue ont été créés le monte-charge ainsi que les roues dentées et les engrenages qui transmettent les mouvements ; les norias, premières machines hydrauliques à godets, actionnées par des animaux qui servent à élever l'eau des puits ; les roues hydrauliques actionnées par la force de l'eau courante, ou encore les moulins à eau et à vent.
Le principe de la roue
Le principe de la roue, et plus généralement celui d'une rotation autour d'un axe, entre également dans la fabrication de nombreuses machines simples. Ainsi en est-il du treuil, dont on se sert pour élever des charges.
Dans le cas d'un puits, par exemple, le seau est attaché par une corde à l'axe d'un cylindre. En tournant ce cylindre d'enroulement au moyen d'une grande roue à manivelle, le seau d'eau est soulevé très progressivement (car l'axe d'enroulement de la corde est d'un diamètre inférieur au large tour de manivelle). L'opérateur du seau déploie un travail modeste en tournant avec peu de force la manivelle sur une ample distance, mais le changement de diamètre au niveau du treuil fait que le travail joue sur une plus faible distance et sa force de soulèvement est donc multipliée. Ainsi peut-on, pour peu de force investie, obtenir un avantage mécanique qui permet de soulever lentement de très lourdes charges.
La poulie
Autre machine simple dont le principe de fonctionnement est basé sur la roue, la poulie intervient dans la transmission d'un mouvement; elle sert également de renvoi pour faciliter le levage d'un fardeau, ou pour rendre plus aisé un effort de traction. La poulie permet donc de transmettre, de multiplier ou de démultiplier à volonté une force passant par une courroie. En effet, selon le diamètre de la roue qu'enveloppe la courroie, le nombre de rotations varie (plus le diamètre est élevé, moins de tours sont obtenus pour une force d'application donnée). On retrouve ce principe dans les braquets d'une
«
La
machine simple
ces machines qui sont effectivement d'une
grande simplicité font toutefois intervenir une
série d'astuces diverses comme les leviers, les
coins, les vis, les plans inclinés et les treuils, ainsi
que d'autres systèmes de poulies pour obtenir
l'effet initialement recherché.
À la recherche de l'efficacité
Dans l'exemple du casse-noix, la force de notre
main est simplement multipliée par l'effet du
levier sur la noix à casser.
On désigne ce facteur
multiplicateur par le terme d'avantage méca
nique obtenu.
Ainsi, dans le cas où une force de
200 newtons (unité internationale de force) est
appliquée aux manches de l'outil, elle se traduit
par une force de 1 000 newtons au niveau de la
noix.
On dit que l'avantage mécanique procuré
par le casse-noisettes est égal à 5 (le chiffre est ......
Lespinces
reposent sur
le principe du levier
pour assurer
une forte prise.
La pince à ......
sucre est moins
efficace car l'effort
est déployé près de
la charge, mais son rôle
est plus hygiénique
que pratique.
obtenu en rapportant les deux valeurs l'une à
l'autre).
Comme dans toute machine, une frac
tion de l'énergie utilisée est perdue par l'appareil,
par exemple sous forme de chaleur le long des
plans de friction des parties mobiles.
Cette perte
indésirable est une mesure de l'efficacité relative
de la machine: elle peut être chiffrée et on a
recours pour cela à la notion de «travail».
La notion de « travail n
En physique, on appelle «trava il>> le produit
(c'est-à-dire la multiplication) de la force exercée
par le déplacement de son point d'application.
Le travail s'exprime en unités appelées «joules>>
(symbole J), un joule valant un newton-mètre.
L'efficacité d'une machine se calcule en divi
sant le travail obtenu en sortie de machine par le
travail communiqué.
au départ, et s'exprime donc
......
Dan� cette
anc1enne
brasserie, des chevaux
assuraient
la rotation d'une roue,
transmise
par un système
d'engrenages
aux meules qui étaient
situées à l'étage
supérieur.
Les cames ......
sont des pièces
mécaniques aux
formes asymétriques.
Celles-ci permettent
de transformer
un mouvement rotatif
en un mouvement
linéaire de vHt-vient
qui est à son tour
communiqué à
des poussoirs.
Un arbre ......
à vilebrequin
consiste en une roue
fixée à une bielle.
Ce dispositif permet
de transformer
un mouvement
circulaire en
un mouvement de va
et-vient ou vice versa.
Les engrenages à ......
dents assurent
un mouvement
circulaire, tout en
régulant le nombre
de tours par minute.
Le nombre
de dents détermine
les vitesses
de rotation.
par
un pourcentage.
Ainsi, lorsque l'on applique
par exemple 50 joules de travail à une machine
et que l'on obtient à sa sortie 45 joules de tra
vail effectif (5 joules ayant été perdus en cours
de route par friction), alors l'efficacité de la
machine est de 45 divisé par 50, soit de 90%.
Cette force de friction perdue dans l'opération
se manifeste sous forme de chaleur.
Dans les
machines fonctionnant en permanence, on a
donc soin de diminuer au maximum la friction,
par exemple en ayant recours à des graisses, à
des huiles et à d'autres lubrifiants injectés entre
les parties en contact, ainsi qu'en prévoyant une
évacuation de la chaleur: on peut recourir à la
ventilation, ou employer des fluides calorifiques.
Sans ces précautions, les pièces mécaniques
pourraient se déformer et gripper le tout sous l'ef
fet de la chal eur, sans compter le gaspillage
d'énergie qu'entraîne une friction excessive.
Il peut paraître étrange à première vue qu'une
machine simple, comme le casse-noisettes précé
demment décrit, puisse multiplier la force qu'on
lui communique.
En effet, un travail ne saurait
augmenter magiquement: c'est une loi de la phy
sique qui veut que le travail se conserve -voire
décline par friction ou sous l'effet des autres
échauffements que nous venons d'évoque r.
Le calcul du « travail n
Ce qui se passe en fait, c'est que la machine inter
vient sur les composantes du travail -la force et
la distance couverte- pour privilégier la premiè
re au détriment de la seconde.
Dans l'exemple du casse-noix, le travail de
départ est-représenté par la force que la
poignée exerce sur les deux manches qui les
déplace l'un vers l'autre sur une distance de plu
sieurs centimètres.
La transmission de cette force
se fait, au travers d'une articulation appelée
pivot, aux mâchoires plus courtes de l'autre
côté: or, qui dit déplacement plus court de la
force dit amplitude plus élevée de cette même.
»
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