Tout au long de l'histoire, les humains ont développé plusieurs appareils pour faciliter le travail. Les plus notables sont les «six machines simples»: la roue et l'essieu, le levier, le plan incliné, la poulie, la vis et la cale, bien que les trois derniers ne soient en fait que des extensions ou des combinaisons des premières Trois.
Parce que le travail est défini comme la force agissant sur un objet dans le sens du mouvement, une machine facilite le travail en accomplissant une ou plusieurs des fonctions suivantes, selon Jefferson Lab:
- le transfert d'une force d'un endroit à un autre,
- changer la direction d'une force,
- augmenter l'ampleur d'une force, ou
- augmenter la distance ou la vitesse d'une force.
Les machines simples sont des appareils sans ou très peu de pièces mobiles qui facilitent le travail. La plupart des outils complexes d'aujourd'hui ne sont que des combinaisons ou des formes plus compliquées des six machines simples, selon l'Université du Colorado à Boulder. Par exemple, nous pourrions attacher une longue poignée à un arbre pour fabriquer un guindeau, ou utiliser un bloc et du matériel pour tirer une charge sur une rampe. Bien que ces machines puissent sembler simples, elles continuent de nous fournir les moyens de faire bien des choses que nous ne pourrions jamais faire sans elles.
Roue et l'essieu
La roue est considérée comme l'une des inventions les plus importantes de l'histoire du monde. "Avant l'invention de la roue en 3500 av.J.-C., les humains étaient sévèrement limités dans la quantité de choses que nous pouvions transporter sur terre et dans quelle mesure", a écrit Natalie Wolchover dans l'article Live Science "Top 10 des inventions qui ont changé le monde". "Les chariots à roues ont facilité l'agriculture et le commerce en permettant le transport de marchandises vers et depuis les marchés, ainsi qu'en allégeant le fardeau des personnes qui parcourent de grandes distances."
La roue réduit considérablement le frottement rencontré lorsqu'un objet est déplacé sur une surface. "Si vous placez votre classeur sur un petit chariot à roulettes, vous pouvez réduire considérablement la force que vous devez appliquer pour déplacer le classeur à vitesse constante", selon l'Université du Tennessee.
Dans son livre "Ancient Science: Prehistory-AD 500" (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels écrit: "Dans certaines parties du monde, des objets lourds tels que des rochers et des bateaux ont été déplacés à l'aide de rouleaux à billes. ont été prises par derrière et remplacées devant. " Ce fut la première étape dans le développement de la roue.
La grande innovation, cependant, a été de monter une roue sur un essieu. La roue pourrait être attachée à un essieu qui était soutenu par un roulement, ou elle pourrait être amenée à tourner librement autour de l'essieu. Cela a conduit au développement de charrettes, de wagons et de chars. Selon Samuels, les archéologues utilisent le développement d'une roue qui tourne sur un essieu comme indicateur d'une civilisation relativement avancée. La première preuve de roues sur essieux remonte à environ 3200 av. par les Sumériens. Les Chinois ont indépendamment inventé la roue en 2800 av.
Multiplicateurs de force
En plus de réduire le frottement, une roue et un essieu peuvent également servir de multiplicateur de force, selon Science Quest de Wiley. Si une roue est attachée à un essieu et qu'une force est utilisée pour faire tourner la roue, la force de rotation, ou couple, sur l'essieu est beaucoup plus grande que la force appliquée à la jante de la roue. Alternativement, une longue poignée peut être fixée à l'essieu pour obtenir un effet similaire.
Les cinq autres machines aident toutes les humains à augmenter et / ou à rediriger la force appliquée à un objet. Dans leur livre "Moving Big Things" (Il est temps, 2009), Janet L. Kolodner et ses co-auteurs écrivent: "Les machines offrent un avantage mécanique pour aider à déplacer des objets. L'avantage mécanique est le compromis entre la force et la distance. " Dans la discussion suivante sur les machines simples qui augmentent la force appliquée à leur entrée, nous négligerons la force de friction, car dans la plupart de ces cas, la force de friction est très faible par rapport aux forces d'entrée et de sortie impliquées.
Lorsqu'une force est appliquée sur une distance, elle produit du travail. Mathématiquement, cela s'exprime par W = F × D. Par exemple, pour soulever un objet, nous devons travailler pour surmonter la force due à la gravité et déplacer l'objet vers le haut. Pour soulever un objet deux fois plus lourd, il faut deux fois plus de travail pour le soulever à la même distance. Il faut également deux fois plus de travail pour soulever le même objet deux fois plus loin. Comme l'indiquent les calculs, le principal avantage des machines est qu'elles nous permettent de faire la même quantité de travail en appliquant une plus petite quantité de force sur une plus grande distance.
Levier
"Donnez-moi un levier et un endroit pour me tenir debout, et je déplacerai le monde." Cette affirmation vantardise est attribuée au philosophe, mathématicien et inventeur grec du troisième siècle Archimède. Bien que cela puisse être un peu exagéré, il exprime le pouvoir de l'effet de levier, qui, au moins au sens figuré, fait bouger le monde.
Le génie d'Archimède était de réaliser que pour accomplir la même quantité ou le même travail, on pouvait faire un compromis entre la force et la distance à l'aide d'un levier. Sa loi du levier stipule que «les magnitudes sont en équilibre à des distances réciproquement proportionnelles à leurs poids», selon «Archimède au 21e siècle», un livre virtuel de Chris Rorres à l'Université de New York.
Le levier se compose d'une longue poutre et d'un point d'appui, ou pivot. L'avantage mécanique du levier dépend du rapport des longueurs de la poutre de chaque côté du point d'appui.
Par exemple, disons que nous voulons soulever un 100 lb. (45 kilogrammes) pèsent 2 pieds (61 centimètres) du sol. Nous pouvons exercer 100 livres. de force sur le poids vers le haut sur une distance de 2 pieds, et nous avons fait 200 livres-pied (271 Newton-mètres) de travail. Cependant, si nous devions utiliser un levier de 30 pieds (9 m) avec une extrémité sous le poids et un pivot de 1 pied (30,5 cm) placé sous la poutre à 10 pieds (3 m) du poids, nous n'aurions pour pousser à l'autre extrémité avec 50 livres. (23 kg) de force pour soulever le poids. Cependant, il faudrait pousser l'extrémité du levier vers le bas de 4 pieds (1,2 m) pour soulever le poids de 2 pieds. Nous avons fait un compromis dans lequel nous avons doublé la distance que nous devions pour déplacer le levier, mais nous avons diminué la force nécessaire de moitié afin de faire la même quantité de travail.
Plan incliné
Le plan incliné est simplement une surface plane soulevée à un angle, comme une rampe. Selon Bob Williams, professeur au département de génie mécanique du Russ College of Engineering and Technology de l'Université de l'Ohio, un avion incliné est un moyen de soulever une charge qui serait trop lourde pour être soulevée directement. L'angle (la pente du plan incliné) détermine la quantité d'effort nécessaire pour augmenter le poids. Plus la rampe est raide, plus il faut d'effort. Cela signifie que si nous soulevons nos 100 livres. poids 2 pieds en l'enroulant sur une rampe de 4 pieds, nous réduisons la force nécessaire de moitié tout en doublant la distance à laquelle il doit être déplacé. Si nous devions utiliser une rampe de 8 pieds (2,4 m), nous pourrions réduire la force nécessaire à seulement 25 lb. (11,3 kg).
Poulie
Si nous voulons soulever ces mêmes 100 livres. poids avec une corde, nous pourrions attacher une poulie à une poutre au-dessus du poids. Cela nous permettrait de tirer vers le bas au lieu de monter sur la corde, mais cela nécessite encore 100 livres. de force. Cependant, si nous devions utiliser deux poulies - une attachée à la poutre aérienne et l'autre attachée au poids - et nous devions attacher une extrémité de la corde à la poutre, la faire passer à travers la poulie sur le poids, puis à travers la poulie sur la poutre, nous n'aurions qu'à tirer sur la corde avec 50 lb. de force pour soulever le poids, bien que nous devions tirer la corde à 4 pieds pour soulever le poids à 2 pieds. Encore une fois, nous avons échangé une distance accrue contre une force réduite.
Si nous voulons utiliser encore moins de force sur une distance encore plus grande, nous pouvons utiliser un bloc et un tacle. Selon les supports de cours de l'Université de Caroline du Sud, "Un bloc et un équipement sont une combinaison de poulies qui réduit la quantité de force nécessaire pour soulever quelque chose. Le compromis est qu'une plus longue longueur de corde est nécessaire pour un bloc et un équipement. pour déplacer quelque chose à la même distance. "
Aussi simples que soient les poulies, elles trouvent toujours une utilisation dans les nouvelles machines les plus avancées. Par exemple, la Hangprinter, une imprimante 3D qui peut construire des objets de la taille d'un meuble, utilise un système de fils et de poulies contrôlées par ordinateur ancrés aux murs, au sol et au plafond.
Vis
"Une vis est essentiellement un long plan incliné enroulé autour d'un arbre, donc son avantage mécanique peut être abordé de la même manière que l'inclinaison", selon HyperPhysics, un site Web produit par la Georgia State University. De nombreux appareils utilisent des vis pour exercer une force bien supérieure à celle utilisée pour tourner la vis. Ces dispositifs comprennent des étaux d'établi et des écrous de roue sur les roues d'automobiles. Ils tirent un avantage mécanique non seulement de la vis elle-même mais aussi, dans de nombreux cas, de l'effet de levier d'une longue poignée utilisée pour tourner la vis.
Coin
Selon l'Institut des mines et de la technologie du Nouveau-Mexique, «les coins déplacent des avions inclinés qui sont entraînés sous des charges à soulever, ou dans une charge à diviser ou à séparer». Un coin plus long et plus mince donne plus d'avantages mécaniques qu'un coin plus court et plus large, mais un coin fait autre chose: la fonction principale d'un coin est de changer la direction de la force d'entrée. Par exemple, si nous voulons diviser une bûche, nous pouvons enfoncer une cale vers le bas à la fin de la bûche avec une grande force à l'aide d'un marteau, et la cale redirigera cette force vers l'extérieur, provoquant la scission du bois. Un autre exemple est un butoir de porte, où la force utilisée pour la pousser sous le bord de la porte est transférée vers le bas, entraînant une force de friction qui résiste au glissement sur le sol.
Trouvez des activités amusantes impliquant des machines simples au Musée des sciences et de l'industrie de Chicago.
