Machines Simples: leviers, poulies et plus

• Un mécanisme est composé de plusieurs types de machines fonctionnant ensemble pour remplir une fonction particulière.
• Une machine est un appareil qui aide à accomplir un travail.
  • Il facilite le travail en permettant de vaincre une plus grande résistance avec moins d'effort
  • Change la direction d'une force
  • Il permet de faire un travail plus rapidement
• Une machine simple demande l'application d'une seule force pour accomplir du travail.

Machine simple

• Le levier est une barre droite rigide qui pivote autour d'un point d'appui.
  • Exemple: la balançoire, un ouvre-bouteille, un râteau de jardin
• La poulie est composée d'une roue à gorge sur laquelle court une corde ou un câble.
  • Exemple: Ascenseurs/elevator, les rideaux)
• Le plan incliné est une surface plane dont l'une des extrémités est plus élevée que l'autre.
  • Exemple: une rampe
• Le coin est deux plans inclinés qui s'insèrent dans un objet ou une matière.
  • Exemple: un couteau, une hache
• La vis est un plan incliné enroulé autour d'une tige
  • Exemple: une vis
• La roue et l'axe est une roue fixée à un axe plus petit pour que ces deux parties tournent ensemble, dans lequel une force est transférée de l'une à l'autre.
  • Exemple: tournevis, poignée de porte, rouleau à pâtisserie

Levier

• Un levier est formé d'une tige rigide supportée en un point: point d'appui
• Les trois différents groupes de leviers sont:
  • Le levier du premier genre: Le point d'appui est au milieu. Exemple: Une balançoire
  • Le levier du deuxième genre: La force produite est au milieu. Exemple: Un ouvre-bouteille
  • Le levier du troisième genre: La force appliquée est au milieu. Exemple: Le râteau de jardin, le bâton de hockey

Gain mécanique idéal d'un levier

• La longueur du bras de levier est la distance entre la force appliquée et le point d'appui.
• La longueur du bras de charge est la distance entre le point d'appui et la force produite.
• Le gain mécanique idéal est égal à la Longueur du bras de levier divisée par la Longueur du bras de charge: GMI = (Lbras de levier) / (Lbras de charge)

Poulies

• Une poulie est composée d'une roue à gorge sur laquelle court une corde ou un câble
• Une poulie peut tourner librement
• Elle peut changer la direction de la force ou augmenter la force produite, selon qu'elle est fixe ou mobile.
• Il existe 3 types de poulies:
  • Les poulies fixes: Elles changent uniquement la direction de la force.
  • Quand la force appliquée est exercée vers le bas sur la corde, la force produite est exercée vers le haut. Le GMI est de 1
  • Les poulies mobiles: une extrémité de la corde est fixe et la poulie peut bouger.
  • Poulie mobile à droite, soutenue par deux segments de corde, a un gain mécanique idéal de 2
  • Les poulies composées sont composées de deux types de poulies
  • Il existe le système de poulies composé d'une poulie fixe et d'une poulie mobile.

Gain mécanique idéal d'un système de poulies

• Le gain mécanique idéal d'un système de poulies est égal au nombre de segments de corde qui soutiennent le(s) poulie(s)
  • Une poulie soutenue par deux segments de corde a un gain mécanique idéal de 2
  • Une poulie soutenue par trois segments de corde a un gain mécanique idéal de 3

Plan incliné

• Il s'agit d'une surface inclinée sur laquelle on peut déplacer un objet
• Le GMI est égal à la longueur de la rampe divisée par la hauteur de la rampe. GMI = I/h
• Le GMI est égal à 6,0 m
  • Divisé par 1,0 m
  • Le GMI total est 6,0 m

Le système démultiplicateur

• Un système démultiplicateur constitué d'une tige ou d'un axe attaché à un disque de plus grand diamètre, appelé roue.
  • Exemple: un tournevis, les pédales de ton vélo

Gain mécanique idéal d'un système démultiplicateur

• Si une force appliquée agit sur la roue, alors la force produite générée par l'axe produit un gain mécanique idéal supérieur à 1
• Cela s'explique par le fait que la force appliquée est plus éloignée du centre de l'axe que la force produite
• Utiliser un tournevis pour serrer une vis est un exemple de système démultiplicateur qui augmente la force produite
• La force appliquée agit sur la poignée et la force produite est à la pointe du tournevis.
• GMI = rr / ra

GMI

• La force appliquée est parfois exercée sur l'axe
• Les roues d'une voiture ou d'un vélo tournent, car la force appliquée est exercée sur l'axe
• Dans ce cas, le gain mécanique est inférieur à 1, car la force appliquée est plus près du centre de l'axe que la force produite
• Si la force appliquée est exercée sur l'axe (par exemple la roue d'un vélo), on peut calculer le gain mécanique idéal en divisant le rayon de l'axe (ra) par le rayon de la roue: (rr)
• GMI = ra / rr

Rendement

• Le rendement est le travail utile produit par la machine par rapport à l'ensemble du travail nécessaire pour la faire fonctionner
• Le travail utile produit est le travail qu'une machine est censée effectuer
• Aucune machine n'a un rendement de 100%, à cause du friction
• L'énergie appliqué se transformerait en énergie thermique alors de l'énergie serait perdu
• Réduire la force de friction permet d'augmenter le rendement d'une machine
• Ajouter un lubrifiant (eg. huile, graisse, etc.) pour certaines machines
• Il existe les machines à mouvement perpétuel qui fonctionnent continuellement sans utiliser d'énergie
• Si le rendement d'une machine augmente:
  • Le travail appliqué diminue
  • Le travail utile produit ne change pas
  • La friction diminue
  • Et le gain mécanique augmente
• La formule est: Rendement = Travail utile produit (joules) / travail appliqué (joules) x 100%
• Rendement = Wproduit / Wappliqué X 100%
• Une personne pousse une caisse de 500 N en haut d'une rampe avec une force de 400 N

Exemple

• Wproduit = F x D
• Wproduit = (500 N)(2,0 m)
• Wproduit = 1000 J
• Wappliqué = Fx D
• Wappliqué = (400 N)(5,0 m)
• Wappliqué = 2000 J
• Rendement = Wproduit / Wappliqué X 100%
• Rendement = 1000J / 2000J x 100%
• Rendement = 50%

Comment augmenter le rendement?

• Aucune machine a une rendement de 100% parce qu'une partie de l'énergie appliquée dans la machine se transforme en d'autres formes d'énergies, par exemple, en énergie thermique, mais il est quand meme possible d'augmenter le rendement avec un lubrifiant.
• Un lubrifiant est quelque chose qui permet aux surfaces qui se frottent ensemble de glisser plus facilement.
• Un exemple d'un bon lubrifiant est l'huile.
• L'eau est aussi un lubrifiant, mais il n'est pas aussi efficace que de l'huile.
• Cependant, dans certains appareils, l'usage d'un lubrifiant n'aide pas à réduire l'énergie thermique produite durant le transfert d'énergie.
• Une ampoule à incandescence n'a qu'un rendement de 5%, parce qu'une plus grande partie de l'énergie électrique se transforme en énergie thermique.
• Alors qu'une ampoule fluocompacte est plus efficace parce qu'elle fonctionne à un température beaucoup plus basse que l'ampoule incandescence, alors moins d'énergie est convertie en chaleur.