Accueil
Plan du site | English | Pour nous contacter

Renseignements de base sur les machines simples

Vous trouverez ci-dessous les réponses à des questions souvent posées au sujet des machines simples. Vous pouvez aussi explorer d'autres sujets touchant à notre programme scolaire « Poulies et engrenages : ces merveilleuses inventions ».

Qu'est-ce qu'une machine simple?

On utilise des machines pour réduire la force nécessaire à l'accomplissement d'un travail, comme le soulèvement d'une charge. Il faut cependant faire un compromis, à savoir exercer cette force sur une plus grande distance.

L'être humain a appris à se servir des machines pour l'aider à travailler - dans ce cas-ci pour déplacer des objets. Certaines machines, comme les bicyclettes, sont complexes car elles regroupent un ensemble de petites machines simples.

En haut

Quelles sont les deux familles élémentaires de machines simples?

Toutes ces machines simples sont dérivées du plan incliné ou du levier.

Les six types de machines élémentaires sont les suivants :

  • le plan incliné
  • le coin
  • la vis
  • le levier
  • la roue et l'essieu
  • la poulie

En haut

Quelles sont les machines de la famille du plan incliné?

Le plan incliné

Le terme «incliné» signifie «à angle». Le terme «plan» signifie «surface plane». Un plan incliné est donc une pente ou une rampe. Il peut s'agir de toute surface que l'on penche pour élever une charge d'un point inférieur à un point supérieur. Voici quelques exemples de plan incliné : une rampe utilisée par un ouvrier pour pousser une charge sur roulettes dans un camion, une rampe d'accès pour fauteuils roulants, des tapis inclinés permettant de charger les bagages à bord d'un avion, un escalier roulant. Les Égyptiens ont eu recours au plan incliné pour déplacer les énormes blocs de pierre servant à la construction des pyramides.

Il convient de noter que tous ces plans inclinés sont fixes (à l'exception des marches d'un escalier roulant). Les plans inclinés ne bougent pas! Ils permettent aux personnes de déplacer ou de soulever de lourds objets. Ils permettent également de soulever une charge en déployant moins de force. Toutefois, la distance du déplacement est plus grande.

Autrement dit, lorsque l'on utilise un plan incliné, on déploie moins de force pour déplacer un poids vers le haut d'une surface penchée que pour soulever ce même poids à la verticale. Cependant, la quantité de travail demeure identique étant donné que :

    Travail = Force x distance.

    T = Fd

Le coin - il s'agit de deux plans inclinés placés l'un contre l'autre.

Il ne s'agit pas vraiment d'un autre type de machine étant donné que le principe est identique à celui du plan incliné.

Voici quelques exemples de coins : le burin, la hache, le couteau, la scie (petits coins), une cale, un butoir de porte, une charrue, et la proue d'un navire.

La vis - il s'agit de la version circulaire du plan incliné. On doit toutefois imprimer un mouvement pour que la vis fonctionne.

En haut

Quelles sont les machines de la famille des leviers?

Le levier - il s'agit d'une barre qui tourne sur un point appelé un pivot.

La roue et l'essieu - il s'agit d'un levier circulaire dont le pivot est un axe.

La poulie - il s'agit d'un autre levier circulaire. Toutefois, la roue tourne librement sur l'axe.

En haut

Pourquoi un plan incliné simplifie-t-il le travail?

Principe du plan incliné

    T = Fd (Force x distance)

Comme c'est le cas pour toutes les machines simples, il est possible de réduire la force et l'effort en augmentant la distance du plan incliné. On applique la force dans une direction opposée à celle du mouvement.

Peut-on obtenir quelque chose sans contrepartie?

Non!

L'inclinaison du plan est un facteur essentiel. Si une personne utilise une planche plus longue pour faire un plan incliné, elle devra déployer moins de force pour déplacer l'objet le long de la rampe ainsi créée. Si elle utilise une planche plus courte (l'inclinaison est donc plus marquée), elle doit déployer plus de force sur une distance toutefois moins grande.

La force verticale appliquée par la pesanteur sur l'objet placé sur un plan incliné est divisée en deux forces moindres : une force perpendiculaire au plan et une force parallèle à celui-ci. Seule la force parallèle doit être compensée par la poussée (et, évidemment, la friction, bien qu'on ne l'examine pas dans cet exercice). L'inclinaison fait de «l'avantage mécanique» une machine simple.

En haut

Comment fonctionne un coin?

On réalise un coin double à l'aide de deux plans inclinés placés l'un contre l'autre. Un coin double se trouve sur la lame d'une hache. Les coins simples ressemblent à un plan incliné étant donné qu'ils ne présentent qu'une pente. Un butoir de porte est un coin simple. Il convient de garder à l'esprit que le plan incliné ne se déplace pas.

On peut utiliser les coins de diverses façons :

  • Les coins peuvent aider à saisir les objets devant être soulevés. En glissant un coin sous un objet, on libère un espace pour les doigts. Plus le coin est long et l'angle de l'inclinaison est faible, moins il est nécessaire de déployer de force. Cependant, il faut pousser le coin sur une plus grande distance.
  • On peut également utiliser les coins pour assujettir les objets ou maintenir quelque chose en place (par exemple, une cheville ou la cale d'une porte).
  • On utilise généralement les coins pour séparer les choses (par exemple, planter un clou dans un bloc de bois).
  • On peut également donner comme exemples le burin, les outils de découpage, une hache (qui est également un levier), un ouvre-boîtes (encore un levier), une charrue, une lame et la proue d'un navire.

Principe du coin

Le coin a pour objectif de changer la direction de la force appliquée. Lorsque celle-ci est appliquée vers le bas sur un coin, ce dernier peut la repousser dans deux directions.

En haut

Une forme particulière de plan incliné - La vis

Une vis est un plan incliné enroulé autour d'un cylindre. Le plan incliné forme une arête spiralée le long du cylindre. Cette arête est ce que l'on appelle le filet de la vis. La distance entre les crêtes du filet porte le nom de «pas de vis».

Le principe de la vis

Sans tournevis, il est impossible d'insérer complètement une vis dans un morceau de bois. Par conséquent, on réduit la force nécessaire à l'insertion de la vis en augmentant la distance à mesure que l'on tourne la poignée du tournevis. Comme dans le cas du plan incliné, la force est appliquée dans une direction différente de celle du mouvement de la charge.

La vis résiste également beaucoup mieux à la pression qu'un clou. Elle assure donc une jonction plus efficace.

On peut comprendre facilement le principe de la vis en découpant un triangle à angle droit dans une feuille de papier. Colorier l'hypoténuse du triangle et l'enrouler autour d'un crayon.

L'hypoténuse devient le plan incliné ou le filet de la vis.

Pour être utile, une vis dépend d'une autre machine simple, en l'occurrence un tournevis (un levier). Une vis fonctionne à l'aide d'un mouvement de rotation imprimé par un levier.

Lorsque le bras du levier accomplit un tour complet, la vis s'enfonce d'une distance égale à celle du pas, soit de l'espace séparant les crêtes entre elles.

L'avantage mécanique d'une vis est le rapport de deux dimensions : la longueur du levier qui la fait tourner et la distance entre les crêtes du filet. Par conséquent, une vis peut avoir deux fonctions. Elle peut servir à soulever des masses (liquides ou solides) ou à resserrer ou assujettir des objets.

La vis d'Archimède

Une des premières vis utilisées comme machines a été inventée au troisième siècle avant notre ère. On attribue communément cette invention à un géomètre grec, Archimède. Sa vis devait servir à irriguer les champs et à vider l'eau à bord des navires. Cette machine était munie d'un cylindre étanche enveloppant une spirale sur toute la longueur, une des extrémités de cette dernière étant immergée. On tournait la machine à la main, l'eau étant recueillie dans les pales de la spirale en rotation. Àmesure que la spirale tournait, on avait l'impression que les pales remontaient le long du cylindre. L'eau s'écoulait par un orifice pratiqué à l'extrémité du cylindre.

Voici quelques exemples d'utilisations contemporaines de vis :

  1. Pour déplacer des objets liquides ou solides - une souffleuse à neige, l'hélice d'un navire ou d'un aéronef, une vis sans fin, un tire-bouchon, une vis de montée, un nourrisseur automatique, une batteuse à grain, un hachoir à viande, un tabouret de piano, une batteuse à maïs.
  2. Pour exercer une pression sur des objets ou pour les assujettir - une relieuse, un étau, un crochet à vis, un écrou et un boulon, une tarière, une clé à molette, une vis ordinaire, le couvercle d'un bocal et la presse à vis d'un imprimeur.

En haut

Le levier

Un levier se compose d'un bras rigide qui peut tourner librement autour d'un point fixe appelé pivot. La force de l'effort (poussée ou traction) est appliquée à l'extrémité du bras. Sous l'effet de la force, l'autre extrémité va en direction opposée. La masse de résistance (la charge) s'exerce sur le bras du levier et force ce dernier à se déplacer dans la direction opposée à celle de la force qui est appliquée.

En haut

Principes de la famille des leviers

En ce qui a trait aux leviers, on applique la force à un point éloigné de la charge.

Plus le pivot est près de la charge, moins on doit déployer de force pour la soulever. La force subira un déplacement important, et la charge se déplacera sur une courte distance.

Plus le pivot est près de la source de la force, plus la force à déployer pour soulever la charge doit être élevée. La force se déplacera sur une courte distance et la charge, une plus longue distance.

En haut

Catégories de leviers

On divise les leviers en trois catégories, selon le placement de la charge et du bras autour du pivot.

Leviers de la première catégorie

Lorsque le pivot est situé entre le bras de force et le bras du levier, ce dernier fait partie de la première catégorie. En fait, plusieurs d'entre nous connaissent cette catégorie de leviers. La balançoire à bascule en est un exemple parfait.

Lorsque le pivot est à mi-chemin entre la force et la charge, la force, la vitesse ou la distance ne changent pas.

Voici d'autres leviers de la première catégorie : un cric, une paire de pinces, une paire de ciseaux, une pompe à eau, une balance à plateaux, une pince-monseigneur, l'extrémité d'un marteau servant à extraire les clous.

Leviers de la deuxième catégorie

Dans cette catégorie, la charge est située entre le pivot et la force. La brouette est un exemple parfait de levier de la deuxième catégorie. L'axe de la roue sert de pivot, les poignées permettent d'appliquer la force et le réceptacle entre ces deux points permet de transporter la charge.

Pour les leviers de la deuxième catégorie, le pivot est généralement plus près de la charge, ce qui réduit la force qui doit être déployée pour accomplir le travail.

Voici d'autres exemples de leviers de la deuxième catégorie : un casse-noisettes et un décapsuleur.

Leviers de la troisième catégorie

Dans ce cas-ci, la force est appliquée entre le pivot et la charge. En raison de cette disposition, on doit déployer une force relativement élevée pour déplacer la charge. Cette obligation est compensée par le fait qu'il est possible de déplacer la charge sur une longue distance en appliquant la force sur une distance relativement courte. Pensons simplement à la canne à pêche! Compte tenu de ce rapport, on utilise souvent ce genre de leviers lorsque l'on souhaite déplacer une petite charge sur une grande distance ou pour transférer la vitesse relativement faible de la force à la vitesse élevée de la charge. Le déplacement d'un bâton de hockey ou d'un bâton de base-ball produit un levier de la troisième catégorie. Le coude fait office de pivot dans les deux cas et les mains génèrent la force (l'avant-bras fait donc partie du levier). La charge (c.-à-d. la rondelle ou la balle) se déplace à l'extrémité du bâton.

Dans les leviers de la troisième catégorie, on constate généralement une perte de force mais un gain de vitesse ou de distance.

Voici des exemples de leviers de la troisième catégorie : une canne à pêche, des pinces à épiler, un bras soulevant des poids, un compas, une personne utilisant un balai, un bâton de hockey, une raquette de tennis, une bêche ou une pelle.

En haut

Qu'est-ce que la roue et l'essieu?

La roue et l'essieu forment un levier de la première catégorie où le pivot est remplacé par un axe et où les bras sont multipliés autour de l'axe pour constituer les rayons ou le disque de la roue. Cela permet au levier de tourner sur 360º au lieu de la rotation limitée que l'on connaît dans le cas de la balançoire à bascule, par exemple.

Toutefois, il est important de faire la différence entre une roue que l'on n'utilise que pour résister à la friction (la roue libre avant d'une bicyclette) et la roue et l'essieu, où une faible partie de la force est appliquée à la roue qui déplace le moyeu avec une force plus grande (la roue arrière d'une bicyclette entraînée par les pédales). Dans le cas de la roue libre, la force qui déplace l'objet n'est le plus souvent pas directement appliquée à celle-ci. Les premiers hommes ont découvert qu'ils pouvaient réduire la friction produite par le déplacement d'un objet lourd en plaçant des billots de bois sous celui-ci. Cette méthode était plutôt maladroite. La roue a depuis évolué : du simple billot de bois, elle est devenue un assemblage complexe de petites pièces (jante, rayons, etc.).

Voici quelques exemples d'une roue et un essieu : le treuil, le cabestan, la roue à aubes, le moulin à vent, les engrenages, les poignées de porte, les poignées de robinet et les volants.

Le treuil

Le treuil est similaire à la corde et à la manivelle d'un puits. On utilise une corde enroulée autour d'un moyeu et actionnée par une manivelle (une roue) pour soulever un seau d'eau. Le treuil remonte à plusieurs milliers d'années. Les Babyloniens en sont les inventeurs. La corde est enroulée autour d'une roue cylindrique. Autre fois, on utilisait les treuils pour retirer le minerai des mines, pour actionner les lourdes portes des écluses d'un canal. On les utilisait également à bord des navires pour haler les voiles ou ramener l'ancre.

Le cabestan

Similaire au treuil, le cabestan sert à ramener les ancres lourdes des gros navires. Il s'agit d'un tambour rotatif muni d'un moyeu vertical. Les premiers cabestans étaient actionnés par des hommes qui tournaient autour de l'axe en poussant des barres fixées au tambour de bois. De nos jours, les cabestans sont actionnés par des moteurs. Le moyeu rotatif d'un enregistreur à cassette est également un cabestan.

La roue à aubes et le moulin à vent

Les Grecs ont inventé la roue à aubes, en l'occurrence une roue et un essieu poussés par l'eau d'une rivière. Il semble qu'un ingénieur romain du nom de Vitruve a conçu, au premier siècle avant notre ère, la première application de la roue à aubes. Des seaux, placés sur le bord de la roue, recevaient l'eau qui la faisait alors tourner.

Les moulins à vent ne sont pas aussi anciens que les roues à aubes mais leur principe et leur utilisation demeurent les mêmes. Pendant des siècles, les moulins à vent ressemblaient à de gigantesques ventilateurs à quatre ou six pales. Les roues à aubes et les moulins à vent recourent à des engrenages horizontaux ou verticaux.

On a utilisé les roues à aubes et les moulins à vent pour moudre le grain, scier le bois ou produire de l'énergie pour les usines de production de vêtements, de métal ou de papier.

Pour voir un moulin à vent moderne, on peut se rendre à l'emplacement de Koenders Mfg Co. Ltd., à Humboldt, en Saskatchewan.

En haut

L'engrenage : une forme particulière de levier

Les engrenages sont des roues dentées qui permettent d'accroître la vitesse ou la force, voire de changer de direction.

Lorsqu'une roue d'engrenage en entraîne une autre, les deux roues tournent en sens opposé. Si elles doivent tourner dans le même sens, on doit les séparer d'un engrenage régulateur.

La taille et le nombre de dents d'une roue d'engrenage déterminent le type de travail qu'elle peut effectuer. Une force appliquée à une grande roue fera tourner une petite roue plus rapidement, mais avec moins de force. Une force appliquée sur une petite roue fera tourner une grande roue moins vite, mais avec plus de force. La distance entre les dents est le pas de la roue d'engrenage.

Récapitulatif

On retrouve les engrenages dans de nombreux types de machines, dont les voitures, les bicyclettes et les horloges. Lorsqu'une roue tourne dans un sens, l'autre tourne dans le sens opposé. Si la petite roue possède la moitié des dents qu’a la grosse roue, la petite accomplit deux tours chaque fois que la grande en accomplit un.

En haut

La poulie

Une poulie est une roue munie d'une entaille dans laquelle on peut assujettir une corde, une chaîne ou une courroie.

Il s'agit d'un levier circulaire, la roue tournant librement autour d'un axe. Une poulie fixe est assujettie à un point précis et ne peut tourner librement. Elle ne génère aucun gain de force, de distance ou de vitesse mais permet de changer la direction de la force. Elle agit comme un levier de la première catégorie. Le pivot est l'axe, en l'occurrence le point d'appui de la poulie.

Le bras de force est le rayon de la poulie, c'est-à-dire la distance entre le pivot (axe) et le côté de la corde sur laquelle on tire. Le bras de charge est également le rayon de la poulie (dans ce cas-ci la distance entre le pivot et le côté de la corde supportant la charge). Les mâts de toutes sortes et les dispositifs d'ouvertures des rideaux sont munis de poulies fixes. Dans tous les cas, la poulie change la direction de la force qui est appliquée pour accomplir un travail.

Une poulie mobile se déplace le long d'une corde ou d'un câble. Elle procure un gain de force mais une perte de distance (on doit en effet tirer sur la corde sur une distance deux fois plus grande). Il s'agit d'un levier rotatif de la deuxième catégorie. Le pivot est situé sur une jante de la roue, la charge est située à l'axe et la force est appliquée à l'autre jante.

Pourquoi est-il plus facile de soulever une charge avec une poulie?

Des parties plus importantes de la corde supportent la masse. C'est un peu comme si quelqu'un vous aidait à porter un lourd objet. Plus vous avez d'aide et plus la charge vous semble légère.

L'avantage mécanique est déterminé par le nombre de cordes de soutien dont sont munies les poulies mobiles.

Un pouliage, ou palan à moufles, est un ensemble de poulies fixes et mobiles. Le pouliage permet de changer la direction tout en procurant un gain de force.

En haut

En science, qu'entend-on par «travail»?

Pour accomplir un travail, les machines simples ont besoin de l'énergie déployée par un être humain. Qu'entend-on par «travail»? En science, ce terme a une signification particulière. Il n'y a travail que lorsqu'il y a déplacement. Par exemple, lorsque l'on pousse la locomotive présente dans le musée, il n'y a aucun travail puisqu'elle ne se déplace pas.

Le travail est composé de deux parties : la force nécessaire à son accomplissement (pulsion ou traction) et la distance sur laquelle on applique cette force.

La formule du travail est la suivante : Travail = Force X Distance. Le travail se mesure en joules. La force est l'énergie de pulsion ou de traction exercée sur un objet et lui imprimant un mouvement. La force se mesure en newtons. La distance est l'espace couvert par l'objet en déplacement. Elle se mesure en mètres. Par conséquent, le travail accompli (en joules) est égal à la force (en newtons) multipliée par la distance couverte (en mètres).

Lorsque l'on dit qu'une machine nous simplifie le travail, nous entendons qu'il nous faut déployer une force moindre pour accomplir le même travail. Les machines nous permettent donc d'augmenter la distance sur laquelle on applique une force moindre et de changer la direction de cette force.

En haut

Qu'est-ce que l'avantage mécanique?

L'avantage mécanique est le rapport entre la masse ou la charge et la force exercée ou le rapport entre la distance sur laquelle on exerce la force et celle sur laquelle on déplace la charge. Par exemple, une machine présente un rapport d'avantage de 1:5 si une force de un kilogramme peut déplacer une masse de cinq kilogrammes.

L'avantage mécanique = M
F
= Sf
Sm
où: M est la masse soulevée
F est la force exercée
Sf est la distance sur laquelle on exerce la force
Sm est la distance sur laquelle on soulève la masse ou la charge

La force exercée multipliée par la distance sur laquelle elle est exercée est égale au travail communiqué à la machine. Il s'agit de la force exercée. La masse multipliée par la distance sur laquelle elle est déplacée est égale au travail déployé par la machine. Ce travail porte le nom de force déployée.

Avantage mécanique

10
10
= 1 10
5
= 2

Dans ce cas-ci, l'avantage mécanique est déterminé par le nombre de cordes supportant la poulie mobile.

En haut

Bascule scientifique et machines simples