Rudolf Cole
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Tout au long de l'histoire, les humains ont développé plusieurs appareils pour faciliter le travail. Les plus notables 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 les trois derniers ne soient en fait que des extensions ou des combinaisons du premier. Trois.
Étant donné que le travail est défini comme une force agissant sur un objet dans la direction du mouvement, une machine facilite l'exécution du 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 la magnitude 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. De nombreux 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 un palan 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..
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 très limités dans la quantité de choses que nous pouvions transporter sur terre et dans quelle mesure", a écrit Natalie Wolchover dans l'article "Top 10 des inventions qui ont changé le monde". "Les charrettes 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 parcouraient de grandes distances."
La roue réduit considérablement les frottements rencontrés 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 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 étaient déplacés à l'aide de rouleaux de bois. Au fur et à mesure que l'objet avançait, des rouleaux ont été prises par derrière et remplacées par l'avant. " C'était la première étape du développement de la roue.
La grande innovation, cependant, était de monter une roue sur un essieu. La roue pourrait être attachée à un essieu qui était supporté 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 les essieux remonte à environ 3200 av. par les Sumériens. Les Chinois ont indépendamment inventé la roue en 2800 av. [En relation: Pourquoi il a fallu si longtemps pour inventer la roue]
Multiplicateurs de force
En plus de réduire la friction, 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 attachée 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 est exprimé 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 faut également deux fois plus de travail pour soulever le même objet deux fois plus loin. Comme indiqué par les mathématiques, 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 une place pour me tenir debout, et je ferai bouger 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, cela exprime le pouvoir de l'effet de levier, qui, au moins au sens figuré, fait bouger le monde.
Le génie d'Archimède était de se rendre compte 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 magnitudes sont en équilibre à des distances réciproquement proportionnelles à leur poids», selon «Archimedes in the 21st Century», un livre virtuel de Chris Rorres de 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 part et d'autre du point d'appui.
Par exemple, disons que nous voulons soulever un 100 lb. (45 kilogrammes) poids à 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-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 que pour pousser vers le bas sur 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 avions pour déplacer le levier, mais nous avons diminué de moitié la force nécessaire pour effectuer la même quantité de travail..
Plan incliné
Le plan incliné est simplement une surface plane élevée 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 à soulever. L'angle (la pente du plan incliné) détermine l'effort nécessaire pour soulever le poids. Plus la rampe est raide, plus l'effort est requis. 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 parcourir. Si nous devions utiliser une rampe de 2,4 m (8 pieds), 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 toujours 100 livres. de force. Cependant, si nous devions utiliser deux poulies - l'une attachée à la poutre supérieure 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 livres. de force pour soulever le poids, bien que nous devions 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 nous voulons utiliser encore moins de force sur une distance encore plus grande, nous pouvons utiliser un bloc et un plaquage. Selon le matériel de cours de l'Université de Caroline du Sud, "Un bloc et un palan est une combinaison de poulies qui réduit la quantité de force nécessaire pour soulever quelque chose. Le compromis est qu'une longueur de corde plus longue est nécessaire pour un blocage et un palan. pour déplacer quelque chose de la même distance. "
Aussi simples que soient les poulies, elles trouvent toujours une utilisation dans les nouvelles machines les plus avancées. Par exemple, le Hangprinter, une imprimante 3D qui peut créer 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 d'inclinaison enroulé autour d'un arbre, de sorte que son avantage mécanique peut être approché 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 la force utilisée pour tourner la vis. Ces dispositifs comprennent des étaux de banc 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 cales sont des plans inclinés qui sont entraînés sous des charges à soulever, ou dans une charge à diviser ou à séparer." Un coin plus long et plus fin 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 fendre une bûche, nous pouvons enfoncer une cale vers le bas dans l'extrémité de la bûche avec une grande force à l'aide d'un marteau, et la cale redirigera cette force vers l'extérieur, provoquant la fente du bois. Un autre exemple est un arrêt 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..
Reportage supplémentaire de Charles Q. Choi, contributeur
Ressources supplémentaires
- John H. Lienhard, professeur émérite de génie mécanique et d'histoire à l'Université de Houston, jette «un autre regard sur l'invention de la roue».
- Le Center of Science and Industry de Columbus, Ohio, propose une explication interactive des machines simples.
- HyperPhysics, un site Web produit par la Georgia State University, a illustré des explications sur les six machines simples.
Trouvez des activités amusantes impliquant des machines simples au Museum of Science and Industry de Chicago.