Science et technologie s1427

Les types de machines simples

Une machine simple est un dispositif comportant peu de pièces qui permet de faciliter l'accomplissement d'un travail en réduisant la force nécessaire pour l'effectuer.

Il est parfois difficile, voire impossible, de déplacer ou de soulever certaines charges très lourdes. Des dispositifs mécaniques existent donc afin de faciliter ces actions. Par exemple, les déménageurs utilisent une rampe de chargement pour monter les meubles dans la boîte du camion plutôt que de tenter de les soulever par leur seule force musculaire. Aussi, un réfrigérateur est muni de roulettes afin de faciliter son déplacement dans une pièce.

Ces dispositifs, que l'on nomme machines simples, nous permettent d'utiliser l'énergie mécanique de façon plus efficace, rendant ainsi plus facile l'accomplissement d'un mouvement. Ainsi, le travail sera accompli avec moins d'effort, mais cet effort devra être fourni sur une plus grande distance. Évidemment, une machine simple ne fonctionne pas d'elle-même; elle doit être actionnée par un moteur ou à l'aide de notre force musculaire.

Il existe plusieurs types de machines simples:

Lorsqu'un objet comporte plusieurs machines simples, on parle alors de machine complexe. Une machine complexe est donc un ensemble de plusieurs machines simples. La bicyclette est un bon exemple de machine complexe, puisqu'on y retrouve des roues ainsi que le principe de levier.

Le plan incliné

Un plan incliné est une surface plane qui est disposée de façon oblique par rapport à l'horizontale.

Un plan incliné permet d'éviter de soulever un objet pour pouvoir le déplacer d'un niveau inférieur à un niveau supérieur. Au lieu d'appliquer une force verticale afin de soulever l'objet, on pourra le pousser ou le tirer sur le plan incliné ce qui nécessite une force moins importante. Ainsi, le plan incliné sert à diminuer la force requise pour descendre ou monter une charge.

Pour qu'un plan incliné soit efficace, il doit y avoir le moins de frottement possible entre la charge à déplacer et la surface du plan. Aussi, plus la pente du plan incliné est faible, moins la force à exercer est grande. Toutefois, la distance à parcourir sera longue.

Utilisation d'un plan incliné pour soulever une charge en hauteur

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Rampe d'accès pour les chaises roulantes

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Tapis roulant servant à transporter les meules de foin dans une grange

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Le coin et la vis sont deux machines simples qui sont dérivées du plan incliné.

Le coin

Un coin est constitué des deux plans inclinés de petite taille qui sont placés l'un contre l'autre.

Le coin est un dispositif qui permet de diminuer la force nécessaire pour faire plusieurs actions différentes: séparer un objet en deux (ex.: hache, couteau, etc.), séparer deux objets accolés (ex.: pointe d'un tournevis à tête plate), maintenir un objet en place (ex.: butoir de porte), soulever légèrement un objet (ex.: cale utilisée pour mettre un objet à niveau).

Hache utilisée pour couper du bois

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La proue d'un navire coupe les flots en deux

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La vis

La vis est un plan incliné enroulé autour d'un axe.

Le plan incliné enroulé forme alors une arête en forme d'hélice le long de l'axe. Cette arête se nomme le "filet" de la vis, et la distance séparant les filets porte le nom de "pas de vis". La force produite par la vis dépend du "pas de vis": plus le pas est rapproché, plus la vis produira une grande force par rapport à la force de rotation. Ainsi, lorsqu'on désire percer un trou dans un matériau dur, la vis utilisée doit posséder un filet serré.

La vis sert à exercer une pression sur des objets ou à les fixer (ex.: boulon, vis à bois, clé à molette, etc.) ou encore à déplacer des matières liquides ou solides (ex.: souffleuse à neige, tarière).

Une clé à molette possède une vis qui règle l'ouverture et la fermeture de la pince.

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Une tarrière utilise le principe de la vis sans fin pour faire remonter la terre d'un trou à mesure que la vis s'enfonce dans le sol.

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Le levier

Un levier est une machine simple composé d'une pièce rigide pivotant sur un point fixe nommé "pivot" ou "point d'appui".

L'utilisation d'un levier donne un avantage mécanique, c'est-à-dire qu'il permet d'augmenter l'effet de la force motrice appliquée sur la charge à soulever. Ainsi, pour effectuer une tâche, la force requise est moins grande.

Utilisation du principe de levier pour retirer des lattes d'un plancher

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Trois éléments entrent en jeu dans le fonctionnement d'un levier:

  • la force motrice (F), qui est l'effort à fournir pour obtenir un mouvement;
  • le pivot (P), qui est le point d'appui;
  • la charge (C), parfois nommée force résistante.

On peut contrôler la force motrice à fournir en modifiant la distance entre l'endroit où on applique la force motrice et le point d'appui (L1), ainsi que la distance entre le point d'appui et la charge (L2). Évidemment, la force motrice est aussi dépendante de la charge à déplacer.


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Les types de levier

En fonction de l'endroit où se situent la force motrice, la charge et le point d'appui, on distingue trois types de levier.

Le levier inter-appui (point d'appui au centre)

Le point d'appui est situé entre la force motrice et la charge. Un tel type de levier permet d'accomplir des travaux demandant de la force ou de la précision. Lorsque la charge se situe à proximité du point d'appui, l'effet de la force motrice est multiplié. À l'inverse, l'effet de la force motrice est diminué lorsqu'on éloigne la charge du point d'appui, mais on augmente la précision du mouvement.

Une balance à plateaux, une paire de ciseaux, une balançoire à bascule et un pied-de-biche sont des exemples de levier inter-appui.

Schéma d'un levier inter-appui
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Le levier inter-résistant (charge au centre)

La charge est située entre la force motrice et le point d'appui. Un tel type de levier permet de multiplier la force motrice exercée. Étant donné que la charge est toujours plus près du point d'appui que la force motrice, un levier inter-résistant exerce sur la charge une force supérieure à la force motrice réellement appliquée.

Un décapsuleur, une brouette, un casse-noisette et un tremplin de plongeon sont des exemples de levier inter-résistant.

Schéma d'un levier inter-résistant
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Le levier inter-moteur (ou inter-force) (force motrice au centre)

La force motrice est située entre la charge et le point d'appui. Un tel type de levier permet de multiplier la vitesse et la distance et aussi d'augmenter la précision du mouvement. La force motrice étant située entre le point d'appui et la charge, son effet permet de déplacer la charge avec une amplitude et une vitesse plus grandes.

Un bâton de hockey, une canne à pêche, une agrafeuse, une pince à épiler et une pelle sont des exemples de levier inter-moteur.

Schéma d'un levier inter-moteur
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La roue

Une roue est un dispositif qui utilise la différence de grosseur entre l'essieu (l'axe central de la roue) et la roue elle-même pour diminuer la force à appliquer ou augmenter la distance parcourue.

On considère la roue comme étant un levier circulaire dont le point d'appui est représenté par l'essieu. Ainsi, en exercant une force sur le contour de la roue, on exerce indirectement une grande force sur l'essieu. C'est, entre autres, le principe du cabestan qui sert à enrouler des cordes sur les voiliers. À l'inverse, si on exerce une grande force sur l'essieu, un grand déplacement sera créé sur la roue. On utilise ce principe dans de nombreux moyens de transport terrestre tels que l'automobile ou la bicyclette.

Principe du cabestan sur lequel on applique une force sur le pourtour de la roue afin d'enrouler une corde

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Roue à aubes d'un moulin à eau

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La poulie est une machine simple dérivée de la roue.

La poulie

Une poulie est un dispositif composé d'une roue comportant une rainure (gorge) dans laquelle se déplace une corde.

La poulie est un type de levier circulaire composé d'une roue tournant librement autour d'un axe et comportant sur sa circonférence une partie creuse nommée "gorge". Dans cette gorge, on insère une corde, une chaîne ou une courroie. Il existe des poulies fixes et des poulies mobiles.

Une poulie fixe est attachée à un support. Elle permet ainsi de modifier la direction dans laquelle une force doit être appliquée pour soulever une charge. Toutefois, la force à appliquer pour soulever la charge n'est pas diminuée par l'utilisation de la poulie. On utilise une poulie fixe dans les mécanismes de stores horizontaux ou pour tirer l'eau d'un puit par exemple.

Dans le cas d'une poulie mobile, c'est plutôt la charge qui est reliée à la poulie. Une poulie mobile permet de diminuer de moitié la force nécessaire pour soulever une charge. Il faut toutefois tirer sur une plus grande longueur de corde afin de soulever la charge à la même hauteur. On peut combiner plusieurs poulies pour diminuer davantage la force requise pour effectuer le travail. C'est, entre autres, le cas dans les systèmes de palans et dans les grues.

Représentation d'une poulie fixe (une extrémité de la corde est reliée à la charge alors qu'on tire sur l'autre extrémité; la poulie est fixée à un support)

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Représentation d'une poulie mobile (une extrémité de la corde est reliée à un support alors qu'on tire sur l'autre extrémité; la poulie est fixée à la charge à soulever)

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