Les machines simples sont des appareils qui facilitent le travail en permettant d'exercer une force sur de plus grandes distances ou en amplifiant la force. Ils constituent les éléments fondamentaux de machines plus complexes et sont profondément intégrés dans l’étude du mouvement en physique. Cette leçon se concentre sur les six machines simples classiques : levier, roue et axe, poulie, plan incliné, vis et coin, explorant comment elles modifient le mouvement et la force pour effectuer le travail.
Avant de plonger dans les spécificités des machines simples, il est essentiel de comprendre la notion de travail. Le travail, en physique, est défini comme la force appliquée à un objet multipliée par la distance sur laquelle elle est appliquée. Mathématiquement, cela s'exprime comme suit :
\( W = F \times d \)où \(W\) est le travail, \(F\) est la force appliquée et \(d\) est la distance. Les machines simples modifient soit la force appliquée, soit la distance sur laquelle la force est appliquée, modifiant ainsi la façon dont le travail est effectué sans modifier la quantité totale de travail.
Un levier est une barre rigide qui tourne autour d'un point fixe appelé point d'appui. Il fonctionne sur le principe des moments, où le moment (couple) d'un côté du point d'appui est équilibré avec le moment de l'autre côté. Le moment est le produit de la force appliquée et de la distance au point d’appui, et il est donné par :
\( \textrm{Moment} = F \times d \)Les leviers sont classés en trois types en fonction des positions relatives de la force appliquée, du point d'appui et de la charge. Une bascule est un exemple classique de levier de première classe, où le point d'appui se situe entre la force et la charge.
La roue et l'essieu sont constitués d'une roue de plus grand diamètre fixée à un axe de plus petit diamètre. La rotation de la roue (ou de l'essieu) fait bouger l'autre partie, amplifiant efficacement la force ou la vitesse. L'avantage mécanique, qui est le facteur par lequel une machine multiplie la force qui lui est appliquée, dépend du rayon de la roue et de l'essieu selon :
\( \textrm{Avantage mécanique} = \frac{\textrm{Rayon de roue}}{\textrm{Rayon de l'essieu}} \)Cette machine simple est utilisée dans des appareils tels que les moulins à vent et les systèmes de direction des voitures, démontrant comment le mouvement de rotation est facilité avec moins d'effort.
Une poulie est une roue sur un axe conçue pour supporter le mouvement d'une corde ou d'un câble. Les poulies peuvent changer la direction d'une force appliquée, réduisant souvent la force nécessaire pour soulever une charge. Une seule poulie fixe n'offre aucun avantage mécanique, mais un système de poulies (bloc et palan) peut réduire considérablement la force nécessaire pour soulever des objets lourds en répartissant le poids. L’avantage mécanique d’un système de poulies est égal au nombre de segments de câble supportant la charge :
\( \textrm{Avantage mécanique} = \textrm{Nombre de segments de corde de support} \)Un plan incliné est une surface plane inclinée selon un angle par rapport à l'horizontale. Il permet de soulever une charge plus facilement en répartissant le travail sur une plus grande distance. Plus le plan incliné est long, moins il faut de force pour élever un objet à une certaine hauteur. L'avantage mécanique d'un plan incliné est déterminé par :
\( \textrm{Avantage mécanique} = \frac{\textrm{Longueur de l'inclinaison}}{\textrm{Hauteur d'inclinaison}} \)Ce principe est appliqué aux rampes et aux toboggans, simplifiant des tâches telles que le chargement de marchandises sur des camions ou le déplacement de meubles lourds.
Une vis est essentiellement un plan incliné enroulé autour d’un cylindre, transformant le mouvement de rotation en mouvement linéaire. Lorsqu'une vis est tournée, les filetages convertissent la force de rotation en une force linéaire perpendiculaire à la vis, soulevant ou rapprochant ainsi les objets. L'avantage mécanique d'une vis dépend de l'espacement de ses filetages :
\( \textrm{Avantage mécanique} = \frac{2\pi \times \textrm{Rayon de vis}}{\textrm{Pas}} \)où le pas est la distance entre les filetages adjacents.
Une cale est un dispositif composé de deux plans inclinés. Il transforme une force appliquée à son extrémité large en forces perpendiculaires à ses surfaces inclinées. Plus le coin est pointu (l'angle entre ses surfaces inclinées est petit), plus la force qu'il exerce perpendiculairement est grande. Cette machine simple est largement utilisée pour couper et fendre des objets, comme des couteaux et des haches.
Les machines simples jouent un rôle essentiel dans notre vie quotidienne, facilitant les tâches en modifiant le mouvement et la force. Comprendre ces principes mécaniques de base jette les bases pour explorer des machines plus complexes et approfondir la science de la physique. En apprenant comment fonctionnent des machines simples, nous acquérons un aperçu des opérations fondamentales du monde qui nous entoure et des principes d’ingénierie qui rendent la vie moderne possible.
