▷ Qu'est-ce qu'un mécanisme ? (types et exemples)

Cet article explique quels sont les mécanismes et à quoi ils servent. Vous trouverez donc la signification de mécanisme, des exemples de mécanismes et quels sont les différents types de mécanismes.

Qu'est-ce qu'un mécanisme ?

Un mécanisme est un ensemble d'éléments mécaniques qui permettent à l'être humain d'effectuer un travail avec moins d'effort et de manière plus confortable.

Plus précisément, les mécanismes sont des dispositifs qui, grâce à un système de transmission, transforment une force ou un mouvement.

La fonction d’un mécanisme est donc de faciliter le travail de l’être humain, puisque les mécanismes servent à réaliser des forces ou des mouvements qui seraient très difficiles voire impossibles sans eux.

Par exemple, le système de mécanismes d'une voiture lui permet d'avancer en appuyant sur l'accélérateur et en déplaçant le levier de vitesses. Ainsi, le mécanisme du véhicule transforme le travail effectué par l'être humain en un mouvement vers l'avant.

En bref, un mécanisme est un ensemble de pièces d’une machine qui transforme une force ou un mouvement d’entrée en une force ou un mouvement de sortie souhaité.

Exemples de mécanismes

Une fois que nous aurons vu la définition du mécanisme, nous allons voir plusieurs exemples de mécanismes pour mieux comprendre le concept.

Mécanisme bielle-manivelle : mécanisme qui sert à transformer un mouvement linéaire en mouvement circulaire et vice versa.
Mécanisme suiveur de came : Mécanisme non réversible qui convertit un mouvement rotatif en un mouvement linéaire oscillatoire.
Mécanisme à vis sans fin : mécanisme utilisé pour transmettre un mouvement de rotation entre deux axes perpendiculaires.
Mécanisme pignon-crémaillère : mécanisme réversible qui permet de passer d'un mouvement circulaire à un mouvement linéaire.
Roues de friction : mécanisme qui permet de transmettre un mouvement de rotation par friction.
Palan : mécanisme formé par un ensemble de poulies qui permet de manipuler confortablement des objets lourds.
Pignons : Un mécanisme utilisé pour transmettre la vitesse angulaire et la puissance entre deux essieux.

Types de mécanismes

Mécanisme de transmission linéaire

Les mécanismes de transmission linéaire sont les mécanismes qui appliquent un mouvement linéaire et, en réponse, génèrent un autre mouvement linéaire. Ce type de mécanismes transmet donc un mouvement rectiligne.

Par exemple, le levier est un mécanisme de transmission linéaire car son fonctionnement consiste à déplacer une de ses extrémités vers le bas (mouvement linéaire) et, par conséquent, l'autre bras du levier avec la charge se déplace vers le haut (mouvement linéaire). C'est donc un mécanisme qui transmet un mouvement linéaire.

En général, ce type de mécanisme permet de modifier la force d'entrée, permettant ainsi d'exercer une force bien supérieure à la force appliquée. Suivant l’exemple précédent, une balance permet de soulever un objet lourd avec moins de force que si l’on devait soulever le poids sans instrument mécanique.

Mécanisme de transmission circulaire

Les mécanismes de transmission circulaire sont les mécanismes qui ont un mouvement circulaire en entrée et qui ont également un mouvement circulaire en sortie. Donc ce type de mécanismes transmettent un mouvement de rotation.

Ainsi, la différence entre un mécanisme d’entraînement circulaire et un mécanisme d’entraînement linéaire réside simplement dans le type de mouvement qu’ils transmettent. Un mécanisme de transmission circulaire transmet un mouvement de rotation, tandis qu'un mécanisme de transmission linéaire transmet un mouvement rectiligne.

Par exemple, un système de poulies liées par une courroie est un mécanisme de transmission circulaire, puisque le mouvement de rotation de la poulie d'entrée est transféré à la poulie de sortie.

Ce type de mécanisme a pour fonction de modifier la vitesse angulaire, de sorte que lors de la transmission du mouvement circulaire, la vitesse de rotation soit augmentée ou réduite selon le cas.

Pour cela, on joue avec le diamètre de la roue d'entrée et le diamètre de la roue de sortie : si le diamètre d'entrée est supérieur au diamètre de sortie, la vitesse angulaire est augmentée, en revanche, si le diamètre d'entrée est inférieur à le diamètre de sortie, la vitesse angulaire est réduite.

Les pignons avec chaîne, appelés mécanisme chaîne-pignon, sont également un mécanisme de transmission circulaire. L’avantage des chaînes est qu’elles sont plus efficaces, cependant elles sont moins flexibles que les courroies.

Enfin, les engrenages sont également des mécanismes de transmission circulaire, puisqu'il s'agit de roues dentées dont les dents s'emboîtent et, par conséquent, le mouvement circulaire se transmet d'une roue à l'autre.

On distingue principalement trois types d'engrenages : les engrenages droits dont les axes sont parallèles, les engrenages coniques dont les axes sont perpendiculaires et les engrenages hélicoïdaux dont les dents sont hélicoïdales.

engrenages cylindriques

engrenages coniques

engrenages hélicoïdaux

Mécanisme de transformation du mouvement

Les mécanismes de transformation de mouvement convertissent le mouvement d'entrée en un autre type de mouvement, de sorte que le mouvement d'entrée et le mouvement de sortie sont différents.

Fondamentalement, ces types de mécanismes transforment un mouvement circulaire en mouvement linéaire, ou à l'inverse, ils convertissent un mouvement circulaire en mouvement linéaire.

Par exemple, le mécanisme suiveur de came sert à transformer un mouvement circulaire en un mouvement linéaire alternatif. Ce type de mécanisme est irréversible, ce qui signifie qu’il permet de passer d’un mouvement circulaire à un mouvement linéaire, mais pas l’inverse.

De même, le mécanisme à crémaillère et pignon sert à convertir un mouvement vers l’avant en un mouvement de rotation. Ce type de mécanisme est réversible, il permet donc également de transformer un mouvement circulaire en mouvement linéaire.

Avantage mécanique d'un mécanisme

L' avantage mécanique d'un mécanisme est le rapport entre la force de sortie et la force d'entrée du mécanisme. Par conséquent, l’avantage mécanique est égal au rapport entre la force de sortie et la force d’entrée.

Ainsi la formule pour calculer l’avantage mécanique d’un mécanisme est la suivante :

$VM=\cfrac{F_s}{F_e}$

L’avantage mécanique d’un mécanisme 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 :

$VM=\cfrac{F_s}{F_e}=\cfrac{v_e}{v_s}=\cfrac{d_e}{d_s}$

Où:

$VM$ est l'avantage mécanique.
$F_s$ est la force de sortie.
$F_e$ est la force d'entrée.
$v_e$ est la vitesse d'entrée.
$v_s$ est la vitesse de sortie.
$d_e$ est la distance parcourue par l'entrée.
$d_s$ est la distance parcourue par la sortie.

En revanche, si l'on veut transmettre un moment au lieu d'une force, l'avantage mécanique est calculé en divisant le moment de sortie par le moment d'entrée. Par exemple, l'avantage mécanique des engrenages de roue est mesuré par le rapport du moment transmis.

$VM=\cfrac{M_s}{M_e}=\cfrac{\omega_e}{\omega_s}$

Où:

$VM$ est l'avantage mécanique.
$M_s$ est l'heure de sortie.
$M_e$ est l'heure d'entrée.
$\omega_e$ est la vitesse angulaire d'entrée.
$\omega_s$ est la vitesse angulaire de sortie.

Ensuite, à partir de la formule de l’avantage mécanique, les relations suivantes peuvent être déduites :

VM>1 : la force de sortie est supérieure à la force appliquée, donc le mécanisme augmente l'amplitude 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 de sortie est inférieure à la force appliquée, le mécanisme réduit donc la valeur de la force. Cependant, on obtient un déplacement de la charge supérieur au déplacement effectué au point d'application de la force.
VM=1 : la force de sortie du mécanisme est égale à la force exercée sur celui-ci. Les déplacements de la charge et le point d'application de la force sont également identiques. Bien que ces types de mécanismes ne présentent aucun avantage mécanique, ils sont souvent utilisés pour exercer une force plus confortablement. Par exemple, une simple poulie permet un effort vers le bas pour soulever un poids, facilitant ainsi le levage de la charge.

Degrés de liberté d'un mécanisme

Les degrés de liberté d'un mécanisme sont le nombre de vitesses généralisées nécessaires pour définir complètement l'état cinématique d'un mécanisme.

Ainsi, le nombre de degrés de liberté d'un mécanisme se calcule à l'aide de la formule suivante :

$\displaystyle GL=n_s\cdot GL_s -\sum_k E_k$

Où:

$GL$ est le nombre de degrés de liberté du mécanisme.
$n_s$ est le nombre de solides ou d'éléments qui composent le mécanisme.
$GL_s$ est le nombre de degrés de liberté de chaque solide. Si on étudie le mécanisme en deux dimensions, chaque solide possède 3 degrés de liberté, mais si on travaille en trois dimensions, chaque solide possède 6 degrés de liberté.
$E_k$ est le nombre de contraintes imposées par le lien k .

Il convient de noter que les degrés de liberté d'un mécanisme sont un paramètre important pour définir son mouvement, car ils coïncident avec le nombre d'équations nécessaires pour décrire son mouvement.