6 Machines simples: faciliter le travail
Au cours de l’histoire, les humains ont développé plusieurs dispositifs pour faciliter le travail. Les plus remarquables d’entre elles sont connues sous le nom de « six machines simples »: la roue et l’essieu, le levier, le plan incliné, la poulie, la vis et la cale, bien que ces trois dernières ne soient en fait que des extensions ou des combinaisons des trois premières.,
parce que le travail est défini comme une force agissant sur un objet dans la direction du mouvement, une machine facilite le travail en accomplissant une ou plusieurs des fonctions suivantes, selon Jefferson Lab:
- transférer 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 avec pas, ou très peu, de pièces mobiles qui facilitent le travail., Beaucoup d »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 faire un guindeau, ou utiliser un bloc et un tacle pour tirer une charge sur une rampe. Bien que ces machines puissent sembler simples, elles continuent de nous fournir les moyens de faire beaucoup de choses que nous ne pourrions jamais faire sans elles.
la Roue et l’essieu
La roue est considérée comme l’une des inventions les plus importantes dans l’histoire du monde. « Avant l’invention de la roue en 3500 av.,, les humains étaient sévèrement limités dans la quantité de choses que nous pourrions transporter sur terre, et dans quelle mesure, » a écrit Natalie Wolchover dans L’article Live Science « Top 10 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 voyageant sur 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 roues, vous pouvez réduire considérablement la force que vous devez appliquer pour déplacer l’armoire à vitesse constante », selon L’Université du Tennessee.
dans son livre « Ancient Science: Prehistory-A. D. 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 de rondins. Au fur et à mesure que l’objet avançait, les rouleaux étaient pris par derrière et remplacés devant. »C’était la première étape dans le développement de la roue.,
La grande innovation, c’est dans le montage d’une roue sur l’essieu. La roue pourrait être fixée à un essieu soutenu par un roulement, ou elle pourrait être faite pour tourner librement autour de l’essieu. Cela a conduit au développement de chariots, 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 les essieux est d’environ 3200 B. C. par les Sumériens. Les Chinois ont inventé indépendamment la roue en 2800 avant JC.,
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 » (It’s about time, 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 frottement, car dans la plupart de ces cas, la force de frottement 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 faire un travail 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 prend également deux fois plus de travail pour soulever le même objet deux fois plus loin. Comme indiqué par les mathématiques, l’avantage principal des machines est qu’elles nous permettent de faire la même quantité de travail en appliquant une petite quantité de force sur une plus grande distance.
Levier
« Donnez-moi un levier et d’un endroit pour rester, et je vais faire avancer le monde. »Cette affirmation vantarde est attribuée au philosophe, mathématicien et inventeur grec du IIIe siècle Archimède. Bien que cela puisse être un peu exagéré, cela exprime le pouvoir de l’effet de levier, qui, au moins au sens figuré, déplace le monde.,
Le Génie D’Archimède a été 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 déclare: « les grandeurs 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 un point d’appui, ou le 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 de 100 lb. (45 kilogrammes) Poids 2 pieds (61 centimètres) du sol. Nous pouvons exercer 100 livres. de force sur le poids dans la direction ascendante pour une distance de 2 pieds , et nous avons fait 200 livres-pieds (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 point d’appui de 1 pied (30,5 cm) placé sous la poutre à 10 pieds (3 m) du poids, nous n’aurions qu’à pousser à l’autre extrémité avec 50 lb. (23 kg) de force pour soulever le poids. Cependant, nous devons pousser l’extrémité du levier vers le bas (4 pieds 1.,2 M) afin de soulever le poids de 2 pieds. Nous avons fait un compromis dans lequel nous avons doublé la distance que nous avons dû déplacer le levier, mais nous avons diminué la force nécessaire par la moitié pour faire la même quantité de travail.
plan Incliné
Le plan incliné est tout simplement une surface plane surélevée 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 plan incliné est un moyen de soulever une charge qui serait trop lourde pour être soulevée directement., L’angle (la pente du plan incliné) détermine l’effort nécessaire pour soulever le poids. Plus la rampe est raide, plus l’effort est nécessaire. Cela signifie que si nous soulevons notre 100-lb. poids 2 pieds en le roulant sur une rampe de 4 pieds, nous réduisons la force nécessaire de moitié tout en doublant la distance à parcourir. 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 libérer de ce même 100 lb. poids avec une corde, on pourrait fixer 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 toujours 100 lb. de la force. Cependant, si nous devions utiliser deux poulies-une attachée à la poutre aérienne et l’autre attachée au poids — et que 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 qu’il faudrait tirer la corde de 4 pieds pour soulever le poids de 2 pieds. Encore une fois, nous avons échangé une distance accrue contre une force réduite.,
Si l’on veut utiliser encore moins de force sur une distance encore plus grande, nous pouvons utiliser un palan. Selon le matériel de cours de l’Université de Caroline du Sud, « un bloc et un tacle 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 tacle 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, L’Hangprinter, une imprimante 3D capable de construire des objets de la taille d’un meuble, utilise un système de fils et de poulies contrôlées par ordinateur ancrées aux murs, au sol et au plafond.
vis
« Une vis est essentiellement un long plan incliné enroulé autour d’un arbre, de sorte que son avantage mécanique peut être abordé de la même manière que l’inclinaison », selon HyperPhysics, un site Web produit par L’Université D’État de Géorgie. De nombreux appareils utiliser des vis pour exercer une force bien plus grande que la force utilisée pour tourner la vis., Ces dispositifs comprennent des étaux de banc et des écrous de roue sur les roues automobiles. Ils gagnent un avantage mécanique non seulement de la vis elle-même, mais aussi, dans de nombreux cas, de l’effet de levier d’un long manche utilisé pour tourner la vis.
Wedge
selon le New Mexico Institute of Mining and Technology, « Les cales sont des plans inclinés en mouvement 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’avantage mécanique 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 un coin vers le bas dans l’extrémité de la bûche avec une grande force à l’aide d’un marteau, et le coin redirigera cette force vers l’extérieur, provoquant la scission du bois. Un autre exemple est un butoir de porte, où la force utilisée pour le pousser sous le bord de la porte est transférée vers le bas, ce qui entraîne une force de frottement qui résiste au glissement sur le sol.,
des rapports Supplémentaires par Charles Q. Choi, Vivre la Science contributeur
ressources Supplémentaires
- John H. Lienhard, professeur émérite de génie mécanique et d’histoire à l’Université de Houston, prend « un autre regard sur l’invention de la roue. »
- Le Centre des Sciences et de l’industrie de Columbus, Ohio, a une explication interactive des machines simples.
- HyperPhysics, un site Web produit par L’Université D’État de Géorgie, a illustré des explications sur les six machines simples.,
trouvez des activités amusantes impliquant des machines simples au Musée des Sciences et de l’industrie de Chicago.