Une poulie n'utilise pas de carburant ou d'électricité, et elle ne fonctionne pas toute seule, mais c'est quand même une machine. Pas une machine au sens où le mot est défini par le dictionnaire Merriam-Webster, mais une machine au sens où les ingénieurs définissent le mot: "Les machines simples sont des dispositifs qui peuvent être utilisés pour multiplier ou augmenter une force que nous appliquons — souvent au détriment d'une distance à travers laquelle nous appliquons la force."
Chaque machine a un avantage mécanique
La liste des machines simples comprend des objets que les gens utilisent tous les jours, tels que des marteaux, des tournevis et des poignées de porte. Tous ces outils appartiennent à l'une des six catégories classiques de machines simples. Les catégories sont :
- Roue et l'essieu
- Poulie
- Levier
- Plan incliné
- Visser
- Coin
Certains scientifiques considèrent la vis et le coin comme des types spéciaux de plans inclinés, ce qui réduit la liste à quatre entrées. Vous pouvez même considérer la poulie comme un cas particulier de roue et d'essieu et réduire la liste à trois éléments. Peu importe le nombre d'articles sur la liste, cependant, une poulie est considérée comme une machine.
Le rapport de la force de sortie d'une machine à la force que vous lui appliquez est connu sous le nom de avantage mécanique (MA). Pour qu'une machine soit une machine, la force de sortie doit être supérieure à la force d'entrée, ce qui signifie que l'avantage mécanique doit toujours être supérieur à 1. Plus l'avantage mécanique est grand, moins vous devez forcer la machine pour la faire fonctionner.
L'avantage mécanique d'un système de poulie
Vous pouvez calculer l'avantage mécanique d'un système de poulie en calculant la force nécessaire pour soulever une charge à une certaine hauteur sans poulie (la force de sortie, FO) puis en calculant la force nécessaire pour le faire avec la poulie (la force d'entrée Fje). L'avantage mécanique est le rapport entre la force de sortie et la force d'entrée: MA = FO/ Fje. Plus la force d'entrée est faible par rapport à la force de sortie, plus l'avantage mécanique est grand.
Pour un système de poulie simple, le calcul de son avantage mécanique est ridiculement facile. Vous comptez simplement le nombre de cordes qui supportent la charge.
Une fois que vous connaissez l'avantage mécanique, vous pouvez calculer la force nécessaire pour soulever un poids connu. Force et poids signifient la même chose, donc en calculant l'avantage mécanique, vous serez en mesure de déterminer la réduction de la charge de la poulie.
Pour obtenir un avantage mécanique, vous devez tirer plus de corde
"Attendez", dites-vous. "Comment savez-vous que l'avantage mécanique est égal au nombre de cordes?" Pour répondre à cette question, vous devez savoir ce que travail est, et non le genre de travail que vous faites à votre travail de 9 à 5.
Pour les physiciens, vous travaillez (W) en appliquant une force (F) sur une distance (d). Vous calculez le travail en multipliant la force par la distance :
W = F • d.
Le travail est lié à l'énergie, et comme l'une des lois les plus fondamentales de la nature est que l'énergie est toujours conservée, le travail doit être conservé. Si la force appliquée à un système de poulie est inférieure à la force nécessaire pour soulever la charge, quelque chose doit changer pour que la quantité de travail que vous effectuez soit égale à la quantité de travail nécessaire pour soulever la charge.
La quantité qui change est la distance. Vous appliquez moins de force pour soulever une charge lorsque vous utilisez un système de poulie, mais vous devez tirer plus de corde pour élever la charge à une hauteur particulière. Si vous avez un système à double poulie, vous devez tirer deux fois plus de corde; dans un système à triple poulie, il faut tirer trois fois plus, et ainsi de suite. En fait, pour n'importe quel système de poulie, vous pouvez calculer la quantité de corde supplémentaire que vous devez tirer en comptant le nombre de cordes supportant la charge.
Réduction du poids, de la force et de la charge de la poulie
Le poids et la force ne sont pas des quantités différentes. Le poids d'un objet n'est rien d'autre que la force exercée sur lui par la gravité, donc lorsque vous soulevez un objet, vous devez exercer une force égale à la force gravitationnelle. Si vous avez un système de poulie simple, la poulie vous permet de tirer sur la corde au lieu de la remonter, ce qui est certainement plus facile, mais le force que vous exercez est toujours égal à poids de la charge vous soulevez.
Si vous ajoutez une poulie en dessous de la première, enroulez la corde autour des deux poulies et suspendez une charge à la deuxième poulie, la charge est maintenant supportée par deux cordes. L'avantage mécanique de ce nouveau système de poulie amélioré est donc de 2, ce qui signifie qu'il suffit d'exercer une force égale à la moitié du poids de la charge pour le soulever. Suspendez une troisième poulie à la première, passez la corde à travers celle-ci de sorte que trois cordes suspendent la charge, et la force que vous devez exercer pour soulever la charge ne représente qu'un tiers de son poids.
On pourrait dire, en général, que la réduction de la charge de la poulie est l'inverse du nombre de cordes supportant la charge, mais peu de systèmes de poulies pratiques ont plus de quatre cordes. Par conséquent, la réduction maximale de la charge de poulie que vous pouvez réaliser est d'un quart du poids de la charge. En réalité, la réduction de charge réelle est légèrement inférieure à cela car il faut tenir compte du frottement dans les poulies.
Un exemple de calculateur de poids de poulie
Supposons que vous puissiez soulever vous-même une personne de 200 livres, mais c'est la limite de vos capacités d'haltérophilie. Pourriez-vous concevoir un système de poulie pour soulever une automobile de 2 000 livres? Probablement pas parce que même un système à quatre poulies ne réduirait le poids que d'un quart, et c'est toujours 500 livres.
Supposons que vous puissiez monter une paire de systèmes de poulies et demander à un ami, aussi fort que vous, d'en tirer un. Vous auriez toujours des problèmes, mais vous pourriez peut-être le faire parce que chaque poulie soulèverait la moitié du poids, ou 1 000 livres, et un quart de ce poids est de 250 livres. Cependant, si vous ajoutiez une troisième poulie et une troisième personne au travail, chaque personne n'aurait qu'à exercer une force de 167 livres, ce qui est tout à fait dans sa capacité, donc ce système fonctionnerait facilement.
Un calculateur de poids de poulie ne dépend pas du poids qui se soulèvera en premier lorsque la corde est tirée, car si une personne tire avant les deux autres, la voiture ne bougera pas. Les trois personnes doivent tirer simultanément pour bien répartir la charge et répartir le poids uniformément entre les trois poulies. Lorsque les trois personnes travaillent simultanément, il y a en effet 12 cordes soutenant la voiture, ce qui rend le avantage mécanique du système de poulie 12 et réduit la force nette nécessaire pour soulever le véhicule à 2 000 ÷ 12 = 167 livres.