Roues et essieux

L’invention de la roue et de l’essieu (la tige autour de laquelle une roue tourne), il y a environ 5500 ans au Moyen-Orient, a révolutionné le transport et a progressivement apporté d’énormes changements à la société, mais qu’est-ce qui la rendait si spéciale ? Il est plus facile de pousser une charrette chargée d’une lourde boîte que de pousser la même boîte sur le sol parce que les roues et les essieux de la charrette réduisent la friction et fournissent un effet de levier. Vous pouvez découvrir comment dans notre article principal sur le fonctionnement des roues.

Art : Une roue peut fonctionner comme un multiplicateur de force ou un multiplicateur de vitesse (mais pas les deux en même temps).Si vous tournez l’extérieur (jante) d’une roue, l’essieu au centre tourne avec moins de vitesse mais plus de force, donc la roue fonctionne comme un multiplicateur de force. Si vous tournez plutôt l’axe (comme le fait une voiture), la roue devient un multiplicateur de vitesse. L’axe ne tourne que sur une courte distance (flèche bleue), mais l’effet de levier de la roue fait que la jante extérieure tourne beaucoup plus loin (flèche rouge) dans le même temps. C’est ainsi qu’une roue vous aide à aller plus vite.

Les grandes roues sont également utilisées pour multiplier la force d’autres façons.Les tuyaux, par exemple, sont équipés de roues appelées robinets d’arrêt (ou vannes d’arrêt). Lorsque tu tournes la jante extérieure d’un robinet d’arrêt, l’axe intérieur tourne avec beaucoup plus de force, ce qui facilite la fermeture du tuyau. Les volants fonctionnent également de cette manière. Un camion ou un bus a souvent un volant plus grand qu’une voiture, car il faut plus de force pour faire tourner ses roues. La plus grande roue donne au conducteur un plus grand levier.

Les roues peuvent multiplier la distance et la vitesse ainsi que la force. Les bicyclettes ont de grandes roues pour aller plus vite. Lorsque vous pédalez, vous actionnez l’intérieur de la roue. Mais la jante extérieure de la roue tourne plus vite et couvre plus de terrain, de sorte que ton pédalage a un effet beaucoup plus important. Les roues des voitures fonctionnent de la même manière.

Les brouettes combinent roues et leviers pour un effet brillant. Une brouette permet de transporter très facilement une charge d’un endroit à un autre pour deux raisons. Premièrement, son long châssis agit comme un levier, ce qui permet de soulever la charge plus facilement. Deuxièmement, il est plus facile de pousser la charge à l’aide d’une brouette parce que la seule friction se situe entre la roue et l’essieu.Si vous poussiez la charge sur la surface rugueuse du sol sans utiliser une brouette, la friction serait beaucoup plus importante.

Engrenages

Photo : Un engrenage est fait de deux ou plusieurs roues de tailles différentes avec des dents taillées dans leurs bords pour s’assurer qu’elles « s’engrènent » (tournent ensemble sans glisser).

Les engrenages sont des roues avec des dents qui peuvent soit augmenter la vitesse d’une machine, soit sa force,mais pas les deux en même temps. Les bicyclettes utilisent les engrenages dans les deux sens. Si tu veux pédaler en haut d’une colline, tu utilises des engrenages pour augmenter ta force afin de ne pas avoir à travailler aussi fort, mais le problème est qu’ils réduisent ta vitesse en même temps. Si vous faites la course sur une route droite, vous pouvez utiliser les vitesses pour augmenter votre vitesse, mais cette fois, le problème est qu’elles réduisent votre force. Bien que cela ne soit pas évident en les regardant, les vitesses fonctionnent exactement de la même manière que les leviers (tout comme les roues), ce qui nécessite un certain nombre d’explications, nous n’entrerons donc pas dans les détails ici. Au lieu de cela, vous pouvez lire tout cela dans notre article sur les engrenages.

Poulies

Mettez deux roues ou plus ensemble et enroulez une corde autour d’elles plusieurs fois et vous créez une puissante machine de levage appelée poulie. Chaque fois que la corde s’enroule autour des roues, vous créez une plus grande puissance de levage ou un avantage mécanique. S’il y a quatre roues et que la corde s’enroule autour d’elles, la poulie fonctionne comme si quatre cordes supportaient la charge.Vous pouvez donc soulever quatre fois plus, bien que le hic soit que vous devez tirer la corde quatre fois plus loin.Lisez la suite dans notre article sur les poulies.

Rampes et cales

Artwork : La tête d’une hache fonctionne comme une rampe. Lorsqu’elle s’enfonce dans le bois, celui-ci se fend le long de la diagonale. Cela signifie que vous pouvez couper le bois en appliquant une plus petite force sur une plus grande distance. Si vous vouliez déchirer une bûche à mains nues, vous devriez appliquer une force beaucoup plus grande (bien que sur une distance beaucoup plus courte).

Si vous avez déjà aidé à tirer un bateau hors de la mer, vous savez qu’il est plus facile de le faire s’il y a une rampe sur le rivage. Au lieu de soulever le bateau verticalement, directement vers le haut, vous pouvez le sortir de la mer avec beaucoup moins de force si vous montez la rampe. Tu utilises moins de force, mais tu dois tirer le bateau sur une plus longue distance – tu utilises donc la même quantité d’énergie dans chaque cas. Les randonneurs utilisent parfois l’idée d’une rampe pour atteindre le sommet d’une pente raide. En zigzaguant d’un côté à l’autre de leur montée, ils créent effectivement leur propre rampe. La pente devient moins raide, mais ils doivent marcher un peu plus loin pour arriver au sommet.

Les rampes sont parfois connues sous le nom de plans inclinés ou de coins.La tête d’une hache est un coin qui fonctionne d’une manière différente. Une hache sépare le bois de deux façons. Le manche fonctionne comme un levier, amplifiant la force que vous appliquez. La lame cunéiforme concentre la force sur une surface plus petite, augmentant la pression sur le bois et le fendant. La lame d’un couteau fonctionne de la même manière.

Vis

Photo : Le filetage en spirale d’une vis signifie qu’il faut plus de temps pour l’enfoncer dans le bois mais – en théorie du moins – il faut moins d’effort. Les rainures aident également la vis à rester en place.

Une vis mord dans le bois lorsque vous la faites tourner. On lit souvent dans les livres de science qu’une vis est « comme une rampe enroulée en cercle », ce qui est assez confus et difficile à comprendre. Mais imaginez que vous êtes une fourmi et que vous voulez grimper du bas d’une vis jusqu’au sommet. Si vous grimpez verticalement sur l’extérieur, vous parcourez une distance relativement courte, mais cela demande une force d’escalade énorme. Si vous montez le long du filet de la vis, en l’enroulant et en le tournant, vous montez en fait une sorte d’escalier en spirale, une rampe enroulée en cercle. Oui, vous marchez beaucoup plus loin, mais c’est beaucoup plus facile. La vis a aussi un autre avantage : comme la tête est plus grosse que la tige, elle fonctionne comme une roue (ou un levier) : chaque fois que vous tournez la tête, la pointe affûtée en dessous mord dans le bois avec plus de force. La conception effilée (en forme de cône) facilite l’enfoncement de la vis.

Les machines sont partout autour de nous !

C’est à peu près tout ce qu’il y a à dire sur la science des machines simples.
Une fois que vous comprenez comment les machines fonctionnent, vous commencez à en voir partout. Même votre corps est rempli de machines. Votre squelette, par exemple, est une collection de leviers ! Jetez un coup d’œil dans votre maison et voyez combien d’autres « machines simples » vous pouvez repérer. Vous serez étonné de voir combien il y en a !

Y a-t-il un piège ?

Soulever, couper, hacher, déplacer, plier – des machines comme celles que nous avons explorées ci-dessus facilitent la réalisation de toutes sortes de choses en créant des forces plus importantes que celles que vous pouvez normalement créer avec votre propre corps. À première vue, cela semble ouvrir la voie à la conception d’une machine capable de nous donner quelque chose pour rien – peut-être une machine capable de produire de l’énergie à partir de rien, ou une machine à mouvement perpétuel qui tourne éternellement.

En pratique, les lois de la physique sont strictes et si vous vous facilitez la vie d’une manière, vous la rendez toujours plus difficile d’une autre manière pour compenser. C’est la façon dont les scientifiques disent « il n’y a pas de repas gratuit » et, en physique, cela s’appelle la loi de la conservation de l’énergie (en termes simples : on ne peut pas faire apparaître l’énergie par magie de nulle part). Avec une poulie, par exemple, les cordes et les roues vous donnent une force de levage beaucoup plus importante, mais vous devez les soulever beaucoup plus loin, de sorte que vous utilisez exactement la même quantité d’énergie qu’auparavant. Vous l’utilisez simplement plus lentement, avec moins d’effort, de sorte que le soulèvement semble plus facile. De la même manière, vous pouvez utiliser une balançoire à bascule pour soulever un ami beaucoup plus lourd en vous asseyant plus loin du point d’équilibre qu’il ne l’est, mais vous devez bouger vos jambes beaucoup plus loin pour compenser. Vous obtenez une force supplémentaire, mais pas d’énergie supplémentaire – et c’est là le piège.

Un travail artistique : Une balançoire à bascule vous permet de créer une force de levage supplémentaire. La petite personne rouge peut soulever la grande personne bleue en s’asseyant plus loin du point de pivot. Cela signifie qu’elle peut soulever une plus grande force, mais le problème est qu’elle doit déplacer son propre corps sur une distance beaucoup plus grande. Cette machine fait plus de force, mais pas plus d’énergie.

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