Les avantages de l'utilisation de leviers et de poulies

Quand quelqu'un vous demande de considérer le concept d'unmachineau 21e siècle, c'est un virtuel étant donné que toute image qui vous vient à l'esprit implique de l'électronique (par exemple, tout ce qui contient des composants numériques) ou au moins quelque chose alimenté par l'électricité.

A défaut, si vous êtes un fan, disons, de l'expansion américaine du XIXe siècle vers l'ouest vers l'océan Pacifique, vous pouvez penser à la locomotive à vapeur qui propulsait les trains à l'époque - et représentait une véritable merveille d'ingénierie à l'époque.

En réalité,machines simplesexistent depuis des centaines et dans certains cas des milliers d'années, et aucun d'entre eux ne nécessite un assemblage ou une alimentation de haute technologie en dehors de ce que la personne ou les personnes qui les utilisent peuvent fournir. Le but de ces différents types de machines simples est le même: générer desObligerau détriment dedistancesous une certaine forme (et peut-être un peu de temps aussi, mais c'est chipoter).

Si cela vous semble magique, c'est probablement parce que vous confondez force eténergie,une quantité connexe. Mais s'il est vrai que l'énergie ne peut pas être "créée" dans un système sauf à partir d'autres formes d'énergie, il n'en va pas de même pour la force, et la simple raison de cela et plus vous attend.

Avant d'aborder la façon dont les objets sont utilisés pour déplacer d'autres objets dans le monde, il est bon de maîtriser la terminologie de base.

Au 17ème siècle, Isaac Newton a commencé son travail révolutionnaire en physique et en mathématiques, dont l'aboutissement était Newton introduisant ses trois lois fondamentales du mouvement. Le second de ces états qu'un filetObligeragit pour accélérer ou modifier la vitesse des masses :F_rapporter= mune​.

• On peut montrer que dans un système fermé àéquilibre(c'est-à-dire que la vitesse de tout ce qui se déplace ne change pas), la somme de toutes les forces et de tous les couples (forces appliquées autour d'un axe de rotation) est nulle.

Lorsqu'une force déplace un objet à travers un déplacement d,travailest dit avoir été fait sur cet objet :

La valeur du travail est positive lorsque la force et le déplacement sont dans le même sens, et négative lorsqu'il est dans l'autre sens. Le travail a la même unité que l'énergie, le mètre (aussi appelé joule).

L'énergie est une propriété de la matière qui se manifeste de plusieurs manières, à la fois sous forme de mouvement et de "repos", et Surtout, il est conservé dans les systèmes fermés de la même manière que la force et la quantité de mouvement (masse multipliée par la vitesse) sont en physique.

De toute évidence, les humains ont besoin de déplacer des choses, souvent sur de longues distances. Il est utile de pouvoir garder une distance élevée mais une force – ce qui nécessite une puissance humaine, ce qui était d'autant plus flagrant à l'époque préindustrielle – d'une certaine manière faible. L'équation du travail semble le permettre; pour une quantité de travail donnée, les valeurs individuelles de F et d ne devraient pas avoir d'importance.

Il se trouve que c'est le principe des machines simples, bien que souvent pas dans l'idée de maximiser la variable distance. Les six types classiques (lelevier,lespoulie, lesroue et l'essieu, lesplan incliné, lescoinet levisser) sont utilisés pour réduire la force appliquée au détriment de la distance pour effectuer la même quantité de travail.

Le terme « avantage mécanique » est peut-être plus séduisant qu'il ne devrait l'être, car il semble presque impliquer que les systèmes physiques peuvent être utilisés pour extraire plus de travail sans apport d'énergie correspondant. (Parce que le travail a des unités d'énergie et que l'énergie est conservée dans des systèmes fermés, lorsque le travail est effectué, son doit être égale à l'énergie mise dans le mouvement qui se produit.) Malheureusement, ce n'est pas le cas, maisavantage mécanique (MA)offre encore quelques beaux lots de consolation.

Pour l'instant, considérons deux forces opposées F₁ et F₂ agissant autour d'un point pivot, appelépivot. Cette quantité,couple, est calculé simplement comme l'amplitude et la direction de la force multipliée par la distance L du point d'appui, connue sous le nom debras de levier​: ​V = F​​L. Si les forces F₁ et F₂ doivent être en équilibre,T₁doit être de grandeur égale àT₂, ou alors

Cela peut aussi s'écrireF₂/F₁ = L₁/L₂. Si F₁ est leforce d'entrée(vous, quelqu'un d'autre ou une autre machine ou source d'énergie) et F₂ est leforce de sortie(également appelée charge ou résistance), alors plus le rapport de F2 à F1 est élevé, plus le avantage mécanique du système, car plus de force de sortie est générée en utilisant relativement peu force d'entrée.

Le rapportF₂/F₁,ou peut-être de préférenceF_o/F_je,est l'équation de MA. Dans les problèmes d'introduction, il est généralement appelé avantage mécanique idéal (IMA) car les effets de la friction et de la traînée d'air sont ignorés.

A partir des informations ci-dessus, vous savez maintenant en quoi consiste un levier de base: unpivot,unforce d'entréeet uncharge. Malgré cet arrangement rudimentaire, les leviers de l'industrie humaine se présentent sous des présentations remarquablement diverses. Vous savez probablement que si vous utilisez un levier pour déplacer quelque chose qui offre peu d'autres options, vous avez utilisé un levier. Mais vous avez également utilisé un levier lorsque vous avez joué du piano ou utilisé un ensemble standard de coupe-ongles.

Les leviers peuvent être "empilés" en termes de disposition physique de telle sorte que leurs avantages mécaniques individuels se résument à quelque chose d'encore plus grand pour le système dans son ensemble. Ce système s'appelle un levier composé (et a un partenaire dans le monde de la poulie, comme vous le verrez).

C'est cet aspect multiplicatif des machines simples, à la fois dans les leviers et poulies individuels et entre différents dans un arrangement composé, qui rend les machines simples qui valent tous les maux de tête qu'elles peuvent cause occasionnellement.

UNElevier de premier ordrea le point d'appui entre la force et la charge. Un exemple est un "bascule" sur une cour de récréation.

UNElevier de second ordrea le point d'appui à une extrémité et la force à l'autre, avec la charge entre les deux. lebrouetteest l'exemple classique.

UNElevier de troisième ordre,comme un levier de second ordre, a le point d'appui à une extrémité. Mais dans ce cas, la charge est à l'autre extrémité et la force est appliquée quelque part entre les deux. De nombreux instruments de sport, tels que les battes de baseball, représentent cette classe de levier.

L'avantage mécanique des leviers peut être manipulé dans le monde réel avec des placements stratégiques des trois éléments requis d'un tel système.

Votre corps est chargé de leviers interactifs. Un exemple est le biceps. Ce muscle s'attache à l'avant-bras à un point situé entre le coude (le "point d'appui") et toute charge supportée par la main. Cela fait du biceps un levier de troisième ordre.

Moins évident peut-être, le muscle du mollet et le tendon d'Achille de votre pied agissent ensemble comme un autre type de levier. Lorsque vous marchez et roulez vers l'avant, la plante de votre pied agit comme un point d'appui. Les muscles et les tendons exercent une force vers le haut et vers l'avant, contrecarrant le poids de votre corps. Ceci est un exemple de levier de second ordre, comme une brouette.

Une voiture d'une masse de 1 000 kg, soit 2 204 lb (poids: 9 800 N) est perchée au bout d'une tige d'acier très rigide mais très légère, avec un point d'appui placé à 5 m du centre de masse de la voiture. Une personne avec une masse de 5 kg (110 lb) dit qu'elle peut contrebalancer le poids de la voiture par elle-même en se tenant à l'autre extrémité de la tige, qui peut être étendue horizontalement aussi longtemps que nécessaire. A quelle distance du point d'appui doit-elle se trouver pour y parvenir ?

L'équilibre des forces exige que F₁L₁ = F₂L₂, où F1 = (50 kg) (9,8 m/s²) = 490 N, F₂ = 9.800 N, et L2 = 5. Ainsi L1 = (9800)(5)/(490) =100 mètres(un peu plus long qu'un terrain de foot).

Une poulie est une sorte de machine simple qui, comme les autres, est utilisée sous diverses formes depuis des milliers d'années. Vous les avez probablement vus; ils peuvent être fixes ou mobiles, et comprennent une corde ou un câble enroulé autour d'un disque circulaire rotatif, qui a une rainure ou d'autres moyens d'empêcher le câble de glisser latéralement.

Le principal avantage d'une poulie n'est pas qu'elle booste MA, qui reste à la valeur 1 pour les poulies simples; c'est qu'il peut changer la direction d'une force appliquée. Cela n'aurait peut-être pas beaucoup d'importance si la gravité n'était pas dans le mélange, mais parce que c'est le cas, pratiquement tous les problèmes d'ingénierie humaine impliquent de la combattre ou de l'exploiter d'une manière ou d'une autre.

Une poulie peut être utilisée pour soulever des objets lourds avec une relative facilité en permettant d'appliquer une force dans la même direction où la gravité agit - en tirant vers le bas. Dans de telles situations, vous pouvez également utiliser votre propre masse corporelle pour aider à soulever la charge.

Comme indiqué, étant donné qu'une simple poulie ne fait que changer la direction de la force, son utilité dans le monde réel, bien que considérable, n'est pas maximisée. Au lieu de cela, des systèmes de poulies multiples avec des rayons différents peuvent être utilisés pour multiplier les forces appliquées. Cela se fait par le simple fait de faire plus de corde nécessaire, puisque F_je diminue lorsque d augmente pour une valeur fixe de W.

Lorsqu'une poulie dans une chaîne d'entre elles a un rayon plus grand que celui qui la suit, cela crée un avantage mécanique dans cette paire qui est proportionnel à la différence de valeur des rayons. Un long tableau de ces poulies, appelé unpoulie composée, peut déplacer des charges très lourdes – apportez juste beaucoup de corde !

Une caisse de manuels de physique récemment arrivés pesant 3 000 N est soulevée par un docker, qui tire avec une force de 200 N sur une poulie. Quel est l'avantage mécanique du système ?

Ce problème est vraiment aussi simple qu'il y paraît ;F_o/F_je​ = 3,000/200 = ​15.0.Le but est d'illustrer quelles inventions remarquables et puissantes des machines simples, malgré leur ancienneté et leur manque de paillettes électroniques, sont vraiment.

Vous pouvez vous offrir des calculatrices en ligne qui vous permettent d'expérimenter une multitude d'entrées différentes en termes de types de leviers, les longueurs relatives des bras de levier, les configurations de poulies et plus encore afin que vous puissiez avoir une idée pratique de la façon dont les nombres dans ces types de les problèmes jouent. Un exemple d'un tel outil pratique peut être trouvé dans les ressources.