MACHINES SIMPLES: HISTORIQUE, CARACTÉRISTIQUES, TYPES, EXEMPLES - LA TECHNOLOGIE - 2025

Les machines simples sont des dispositifs mécaniques qui changent la grandeur ou la direction d'une force. Ils peuvent généralement être définis comme l'appareil le plus dépouillé qui utilise un avantage mécanique, également appelé levier, pour augmenter une force.

Tout au long de l'histoire, les humains ont développé divers appareils pour faciliter le travail. Les plus importants sont les six types de machines simples: le levier, la roue et l'arbre, la poulie, le plan incliné, le coin et la vis.

Source: John Mills

Lorsque vous entendez le mot machine, vous pensez à quelque chose comme une excavatrice ou une machine à vapeur. Cependant, en science, une machine est tout ce qui rend une force plus grande.

Une machine peut augmenter la quantité de force produite, au prix d'une réduction proportionnelle de la distance parcourue par la charge. L'avantage mécanique est appelé la relation entre la force produite et la force appliquée.

Une machine simple utilise une seule force appliquée qui agit contre une seule force de chargement. En ignorant les pertes par frottement, le travail effectué sur la charge équivaut au travail effectué par la force appliquée.

Blocs élémentaires

Des machines simples sont partout, utilisées chaque jour pour effectuer des tâches simples. Ils ont également été utilisés depuis les premiers jours de l'existence humaine.

Les machines simples peuvent être considérées comme les blocs élémentaires dont sont composées toutes les machines les plus complexes, appelées machines composées.

Dans le mécanisme d'une bicyclette, par exemple, des poulies, des leviers et des roues sont utilisés. L'avantage mécanique d'une machine à composés n'est rien de plus que le résultat des avantages mécaniques des machines simples qui la composent.

Cependant, bien qu'elles continuent d'être considérées comme très importantes en mécanique et en sciences appliquées, la mécanique moderne a transcendé cette vision des machines simples en tant que blocs élémentaires dont toutes les machines sont composées.

L'histoire

Idées initiales

Vers le 3ème siècle avant JC. C. est à l'origine de l'idée d'une machine simple, avec le philosophe grec Archimède, qui a étudié les machines simples suivantes: levier, poulie et vis.

Il découvrit dans le levier le principe de l'avantage mécanique. Son célèbre commentaire concernant le levier: «Donnez-moi une place pour m'incliner et je déplacerai la Terre» exprime sa compréhension qu'il n'y avait pas de limite à l'augmentation de la force qui pouvait être obtenue avec l'utilisation de l'avantage mécanique.

Plus tard, les philosophes grecs ont défini cinq machines simples classiques et ont pu calculer l'avantage mécanique qu'ils avaient.

Par exemple, dans son ouvrage Mechanics, Heron of Alexandria (10-75 AD) énumère cinq dispositifs qui peuvent mettre une charge en mouvement: poulie, roue et arbre, levier, vis et cale, détaillant leur fabrication et leur utilisation.

Cependant, la connaissance des Grecs était limitée à la statique des machines simples (l'équilibre des forces), à l'exclusion de la dynamique, du concept de travail ou du compromis entre force et distance.

Période Renaissance

La dynamique des forces mécaniques, comme on appelait des machines simples, a commencé à être étudiée à la Renaissance, du point de vue de la distance à laquelle une charge pouvait être soulevée, en plus de la force qui pouvait être appliquée, ce qui a finalement conduit au nouveau concept. travail mécanique.

L'avantage mécanique du plan incliné a été déduit par l'ingénieur flamand Simon Stevin en 1586. Il a été inclus à côté des autres machines simples.

Le scientifique italien Galileo Galilei a élaboré en 1600 la théorie dynamique complète des machines simples, dans son ouvrage Le Meccaniche, où il a révélé la similitude mathématique sous-jacente en tant qu'amplificateurs de force de ces machines. Il a été le premier à expliquer que les machines simples ne créaient pas d'énergie, elles la transformaient seulement.

Léonard de Vinci a découvert les règles classiques du frottement par glissement dans les machines, mais elles n'ont pas été publiées ni documentées dans son introduction. En 1699, Guillaume Amontons redécouvre ces règles et en 1785 elles sont développées par Charles-Augustin de Coulomb.

caractéristiques

Les machines simples sont des appareils avec peu ou pas de pièces mobiles, ce qui facilite le travail. La fonction principale d'une machine simple est l'amplification de la force ou la modification du mouvement.

Mouvement et force

Le mouvement et la force dans une machine simple sont indissociables. Ils sont toujours en relation inverse.

La force produite par un levier est supérieure à la force qui lui est appliquée, mais le mouvement produit est inférieur au mouvement appliqué. Autrement dit, un gain de force s'accompagne d'une perte de mouvement.

Emploi

En mécanique, le travail est quelque chose que les forces font lorsqu'elles se déplacent dans la direction dans laquelle elles agissent. Autrement dit, lorsqu'une force est appliquée pour parcourir une distance, un travail est produit. Ceci est exprimé mathématiquement comme suit: Travail = Force × Distance.

Par exemple, pour soulever un objet, il faut effectuer un travail qui dépasse la force de gravité et ainsi pouvoir déplacer l'objet vers le haut.

Pour soulever un objet deux fois plus lourd, il faut deux fois plus de travail pour le soulever à la même distance. Il faudrait également deux fois plus de travail pour soulever le même objet deux fois plus loin.

Ce concept de travail est fondamental pour définir la fonction mécanique des machines simples en termes de force et de mouvement, mettant en évidence l'inséparabilité de la force et du mouvement.

Avantage mécanique

C'est la relation entre la force qui effectue le travail par rapport à la force appliquée. C'est donc l'efficacité d'amplification de force d'une machine simple.

L'avantage mécanique des machines simples signifie que moins de force peut être utilisée pour déplacer un objet, mais il doit être déplacé sur une plus longue distance.

Souvent, une tâche est jugée difficile car elle requiert beaucoup de force. Utiliser le compromis entre la distance et la force peut rendre la tâche beaucoup plus facile à accomplir.

Un exemple est de pousser un objet lourd sur une rampe. Il est plus facile de pousser l'objet sur la rampe que de le soulever à la bonne hauteur, mais il doit être transporté sur une plus longue distance.

À quoi servent les machines simples?

Des machines simples facilitent le travail en exécutant une ou plusieurs des fonctions suivantes:

- Transférer une force d'un endroit à un autre.

- Changer la direction d'une force.

- Augmentez la magnitude d'une force.

- Augmentez la distance d'une force.

Bien que les machines simples prennent de nombreuses formes différentes, elles se déclinent en six types de base:

- Wedge: appareil pour séparer les choses.

- Roue et essieu: utilisés pour réduire le frottement et comme multiplicateur de force.

- Levier: se déplace autour d'un point d'appui pour augmenter ou diminuer l'avantage mécanique.

- Plan incliné: soulevez des objets lors de la montée d'une pente.

- Vis: un appareil qui peut soulever ou maintenir des objets ensemble.

- Poulie: change la direction d'une force.

Augmenter la force appliquée

Des machines simples aident les humains à augmenter la force appliquée à un objet. Ils offrent un avantage mécanique pour aider à déplacer des objets.

Comme l'indique la formule de travail, le principal avantage des machines simples est de permettre la même quantité de travail en appliquant une force moindre sur une plus grande distance.

Par exemple, vous souhaitez soulever un objet pesant 10 kilogrammes à 2 mètres du sol. 10 kg de force peuvent être exercés sur l'objet vers le haut, sur une distance de 2 mètres, faisant ainsi 20 Newtons de travail.

Si un levier de 3 mètres était utilisé, en plaçant l'objet à une extrémité et en plaçant un point d'appui de 10 cm sous la barre à 1 mètre de distance de l'objet, alors pour soulever l'objet, il faudrait pousser l'autre extrémité avec une force de seulement 5 kilogrammes.

Cependant, l'extrémité du levier devrait être abaissée de 4 mètres pour soulever l'objet à seulement 2 mètres.

Il y a un compromis. L'abaissement du levier double la distance précédente, mais réduit la force requise de moitié, en effectuant la même quantité de travail.

Les types

Levier

C'est une sorte de barre rigide qui a un point d'appui fixe comme point d'appui. Il consiste en une charge, qui est l'objet à déplacer ou à soulever, un point d'appui, qui est le pivot, et un effort, qui est la force nécessaire pour déplacer ou soulever la charge.

L'application d'une force à une extrémité du levier crée une force plus importante à l'autre extrémité. La force appliquée augmentera ou diminuera en fonction de la distance entre le point d'appui et la charge et la contrainte.

Roue et l'essieu

Il se compose d'une roue attachée à un essieu plus petit afin que ces deux parties tournent ensemble, où une force est transférée de l'une à l'autre. Une charnière soutient l'arbre, permettant la rotation.

Il facilite le travail d'objets en mouvement sur des distances. La roue, qui est l'extrémité ronde, tourne avec l'axe cylindrique, provoquant le mouvement.

Cela peut également amplifier la force. Une petite force appliquée sur la circonférence d'une grande roue peut déplacer une plus grande charge attachée à un essieu.

Poulie

Il est conçu pour supporter le mouvement et le changement de direction d'une corde tendue. La corde s'enroule autour d'une roue. Lorsque la roue tourne, la corde se déplace dans n'importe quelle direction.

Si un crochet est connecté à la corde, la rotation de la roue peut être utilisée pour soulever et abaisser des objets, facilitant le travail.

Plan incliné

C'est une surface plane, avec une extrémité plus haute que l'autre, utilisée comme support pour lever ou abaisser une charge. Ils sont largement utilisés pour déplacer de lourdes charges sur des obstacles verticaux.

Déplacer un objet sur un plan incliné demande moins de force que de le soulever directement, au prix d'une augmentation de la distance parcourue.

L'avantage mécanique d'un plan incliné est égal au rapport de la longueur de la surface inclinée à la hauteur qu'elle couvre.

Berceau

C'est un outil de forme triangulaire. Il peut être utilisé pour séparer deux objets, retirer des morceaux d'un objet, le soulever ou maintenir un objet en place.

Il fonctionne en convertissant une force appliquée à son extrémité émoussée en forces perpendiculaires à sa surface inclinée.

L'avantage mécanique est donné par la relation entre la longueur de la pente et la largeur.

Vis

C'est un mécanisme qui convertit le mouvement de rotation en mouvement linéaire et la force de rotation (couple) en une force linéaire. Une vis est en réalité un autre type de plan incliné.

Sa forme la plus courante consiste en un arbre cylindrique avec des rainures hélicoïdales appelées filetages à l'extérieur.

La vis passe à travers un trou dans un autre objet ou support avec des filets internes qui s'engrènent avec les filets de vis.

Exemples

Leviers

Quelques exemples de leviers sont les poignées de porte, les griffes d'un marteau à enlever les clous, les leviers en fer, les interrupteurs d'éclairage, les ouvre-bouteilles et les charnières.

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Roues et essieux

On les trouve là où les choses tournent en cercle, comme un ventilateur électrique, un moteur, une porte tournante, un carrousel et n'importe quelle roue, que ce soit dans la voiture, sur une planche à roulettes ou sur un vélo.

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Poulies

Ils sont utilisés dans les rideaux et les stores pour les déplacer de haut en bas, ou d'avant en arrière.

Ils peuvent ramener quelque chose du sol, comme un drapeau sur un poteau. La corde est tirée vers le bas, mais le drapeau monte.

Ils sont également utilisés dans l'industrie pour soulever et abaisser des charges lourdes, sur des navires pour lever et abaisser des voiles, ou dans des grues destinées à des engins de chantier en mouvement.

Les ascenseurs utilisent également des poulies pour déplacer la voiture vers le bas et vers le haut d'un étage à l'autre.

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Plans inclinés

Ils sont utilisés dans les parcs à scooters, les rampes pour fauteuils roulants et pour déplacer du matériel lourd dans et hors de l'arrière des camions.

Des versions modifiées d'une rampe se trouvent dans les escaliers, les escaliers roulants, les sentiers pédestres et même sur les toboggans utilisés pour déposer le courrier dans la boîte aux lettres, jusqu'à un train qui monte une pente.

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Berceau

Quelques exemples de coins utilisés pour séparer peuvent être une pelle, un couteau, une hache, une pioche, une scie, une paire de ciseaux ou un pic à glace.

Les coins peuvent également maintenir les choses ensemble, comme dans le cas d'une agrafe, d'épingles, de punaises, de clous ou de butées de porte.

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Vis

Quelques exemples sont sur une perceuse, un couvercle de pot, une ampoule, un boulon, des bouchons de bouteille, des robinets et des stylos.

Une autre utilisation de la vis est dans un dispositif appelé pompe à vis. C'est une énorme machine hydraulique en forme de vis qui entre dans l'eau. Lors de la rotation, grâce à sa forme de vis, l'eau remonte dans l'arbre torsadé et monte là où elle est nécessaire. Les pompes à vis sont souvent utilisées pour l'irrigation et dans les milieux agricoles tels que les fermes.

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Références

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