Cet article explique ce que sont les machines simples et à quoi elles servent. Vous découvrirez ainsi la signification de machine simple, les différents types de machines simples et comment est calculé l'avantage mécanique d'une machine simple.
Qu'est-ce qu'une machine simple ?
Une machine simple est un mécanisme qui permet de modifier l’ampleur ou la direction d’une force. Autrement dit, une machine simple est un dispositif mécanique utilisé pour exercer une force avec moins d’effort ou de manière plus confortable.
Par exemple, le levier est une machine simple. Le levier est une machine simple car il permet de soulever un objet lourd en appliquant beaucoup moins de force que si vous deviez le soulever sans le levier.
En bref, les machines simples peuvent être définies comme les mécanismes les plus simples offrant un avantage mécanique.
Types de machines simples
Une fois que nous avons vu la définition d'une machine simple, nous expliquons les différentes astuces des machines simples ainsi que leurs caractéristiques.
Levier
Un levier est un type de machine simple qui permet de transmettre une force et un déplacement. Ainsi, un levier est un dispositif mécanique qui sert à augmenter une force appliquée à un objet, sa vitesse ou la distance qu'il parcourt.
En général, les leviers sont constitués d'une barre rigide pouvant tourner autour d'un point d'appui, appelé point d'appui.
Le levier est une machine simple très ancienne, on pense en fait qu’elle a été inventée dans la préhistoire. En effet, le mécanisme à levier est très simple à mettre en œuvre et, de plus, il est très utile car il permet d'augmenter fortement la force exercée sur un objet.
Poulie
Une poulie est une machine simple utilisée pour transmettre une force. La poulie est un dispositif de traction utilisé pour soulever un poids confortablement.
La principale caractéristique de ce type de machine simple est que plusieurs poulies peuvent être combinées pour réduire l'effort à fournir pour soulever un objet lourd. Autrement dit, les poulies permettent de déplacer une charge en appliquant une force bien inférieure à son poids. De cette manière, les objets lourds peuvent être manipulés sans difficulté.
L'engrenage à poulie est constitué d'une roue avec une petite rainure dans laquelle est placé une corde, un câble ou une chaîne. Ainsi, le fonctionnement de ce type de machine simple consiste à accrocher une charge à une extrémité de la corde et à tirer sur l'autre extrémité de la corde, de cette manière l'objet est soulevé grâce au mécanisme de poulie.
En physique, ces types de machines simples sont utilisées pour poser des problèmes de force, car résoudre ce type de problèmes permet de comprendre le concept de force et d'apprendre à calculer la valeur d'une force.
Berceau
Un coin est une pièce en forme de triangle généralement en bois ou en métal et se terminant par un angle très aigu.
En tant que machine simple, la forme du coin est utilisée pour changer la direction de la force qui lui est appliquée. Ainsi, la cale sert à séparer un objet en deux, à soulever un objet ou à maintenir en place un objet statique.
Le fonctionnement d'une cale consiste à transformer une force appliquée à son extrémité en deux forces perpendiculaires à ses surfaces inclinées. Par conséquent, un coin est une machine simple qui permet de changer la direction d’une force.
Initialement, la force exercée sur la surface plane de la cale est transférée à son extrémité pointue, lui permettant de pénétrer dans un objet. Ensuite, lors de l'insertion de la cale dans le trou créé, la force appliquée sur sa surface plane est convertie en deux forces dirigées perpendiculairement aux faces inclinées de la cale, séparant ainsi l'objet en deux parties.
Plan incliné
Un plan incliné est une surface inclinée d'un certain angle. En physique, ce type de machine simple est utilisé pour s’entraîner avec des problèmes de force.
Par exemple, une rampe ou une route en pente sont des plans inclinés.
Le plan incliné permet de transporter un objet en utilisant moins de force. Puisque pousser un objet sur un plan incliné nécessite moins de force que le soulever verticalement.
Tourniquet
Le tour est un instrument essentiellement constitué d'une manivelle fixée à un cylindre dans lequel est enroulé un câble.
Ainsi, le fonctionnement de ce type de machine simple consiste à faire tourner le cylindre à l'aide de la manivelle pour enrouler ou dérouler le câble. De cette façon, l'objet suspendu au câble peut être élevé ou abaissé.
L’avantage de ce type de machine simple est qu’elle permet de soulever une charge en exerçant moins de force. D'autre part, un mouvement avec la manivelle doit être supérieur à la distance parcourue par la charge, par conséquent, la charge se déplace plus lentement que la manivelle.
Vis
La vis est un objet généralement métallique qui présente une forme cylindrique et sa surface présente un profil hélicoïdal.
Le fonctionnement de ce type de machine simple consiste à la faire tourner par sa tête ou au moyen d'une manivelle, de sorte que, grâce à son profil hélicoïdal, la vis avance ou recule dans le sens de son axe.
La vis est donc une machine simple qui permet de transformer un mouvement rotatif en un mouvement linéaire. Gardez à l’esprit qu’en fonction du sens de rotation, la vis avancera ou reculera.
D'autres outils, comme le cric ou le tire-bouchon, dérivent du fonctionnement de ce type de machine simple.
Roue
La roue est constituée d'un corps de forme ronde qui tourne sur un axe. Ce type de machine simple permet de convertir un mouvement circulaire en mouvement de déplacement, puisque si l'axe de la roue est attaché à un objet, il avancera au fur et à mesure que la roue roule.
La roue est la machine simple la plus ancienne et son utilisation est la plus répandue de tous les types de machines simples. Par exemple, une application de ce type de machine simple se trouve dans les transports terrestres, qui se déplacent grâce au fonctionnement de plusieurs roues.
Avantage mécanique d'une machine simple
L’ avantage mécanique d’une machine simple est un paramètre qui montre à quel point la force appliquée sur la machine simple est amplifiée. L'avantage mécanique indique donc la relation entre la force d'entrée et la force de sortie.
Mathématiquement, l'avantage mécanique d'une machine simple est défini comme le rapport entre la force résultante et la force appliquée.
L’avantage mécanique d’une machine simple peut également être calculé en divisant la vitesse de la force appliquée par la vitesse à laquelle la charge se déplace. De même, cette expression équivaut également au déplacement du point de la force appliquée divisé par le déplacement de la charge :
Ensuite, de la formule de l’avantage mécanique, les relations suivantes peuvent être déduites :
- VM>1 : La force résultante est supérieure à la force appliquée, donc la machine simple augmente l'ampleur de la force. En revanche, la distance parcourue par la charge est inférieure à la distance parcourue par le point où la force est appliquée.
- VM<1 : La force résultante est inférieure à la force appliquée, donc la machine simple réduit la valeur de la force. Cependant, on obtient un déplacement de charge supérieur au déplacement effectué au point d'application de la force.
- VM=1 : la force résultante de la machine simple est égale à la force exercée sur elle. Les déplacements de la charge et le point d'application de la force sont également identiques. Bien que ces types de machines simples ne présentent pas d’avantage mécanique, elles sont généralement utilisées pour effectuer du renforcement musculaire de manière plus confortable. Par exemple, une simple poulie permet un effort vers le bas pour soulever un poids, facilitant ainsi le levage de la charge.
Machine simple et machine composée
Enfin, nous verrons quelle est la différence entre une machine simple et une machine composée, puisqu’il s’agit de deux types de machines aux nombreuses applications.
Les machines composites sont des machines composées de plusieurs machines simples. Ainsi plusieurs machines simples sont combinées en série pour obtenir un plus grand avantage mécanique.
Par conséquent, la différence entre une machine simple et une machine composée réside dans le fait qu’une machine simple est un seul élément mécanique, tandis que la machine composée est une combinaison de plusieurs machines simples.