Contenu
- Principes fondamentaux de la physique newtonienne
- Vue d'ensemble des machines simples
- Bases du levier
- Couple et moments en physique
- Terminologie et types de leviers
- Exemples de leviers composés
- Calcul de la force du bras de levier
Pratiquement tout le monde sait quel levier est, bien que la plupart des gens pourraient être surpris d'apprendre à quel point une large gamme de machines simples qualifier comme tel.
En gros, un levier est un outil utilisé pour "extraire" quelque chose d'une manière que aucun autre appareil non motorisé ne peut gérer; dans le langage de tous les jours, on dit que quelqu'un qui a réussi à acquérir un pouvoir unique sur une situation possède un "effet de levier".
Apprendre à utiliser les leviers et à appliquer les équations relatives à leur utilisation est l’un des processus les plus gratifiants offerts par l’introduction à la physique. Il inclut un peu de force et de couple, introduit le concept contre-intuitif mais crucial de multiplication des forces, et vous appelle à des concepts de base tels que travail et des formes d'énergie dans le marché.
L’un des principaux avantages des leviers est qu’ils peuvent être facilement "empilés" de manière à créer un impact significatif. avantage mécanique. Les calculs de levier composé aident à illustrer à quel point une "chaîne" bien conçue de machines simples peut être puissante et modeste.
Principes fondamentaux de la physique newtonienne
Isaac Newton (1642-1726), en plus d'être crédité pour avoir co-inventé la discipline mathématique du calcul, développèrent les travaux de Galileo Galilei pour développer des relations formelles entre énergie et mouvement. Plus précisément, il a notamment proposé ce qui suit:
Les objets résistent aux changements de vitesse d'une manière proportionnelle à leur masse (loi d'inertie, première loi de Newton);
Une quantité appelée Obliger agit sur les masses pour modifier la vitesse, un processus appelé accélération (F = ma, Deuxième loi de Newton);
Une quantité appelée élan, le produit de la masse et de la vitesse, est très utile dans les calculs en ce qu’il est conservé (c’est-à-dire que sa quantité totale ne change pas) dans les systèmes physiques fermés. Total énergie est également conservé.
La combinaison d’un certain nombre d’éléments de ces relations aboutit au concept de travail, lequel est force multipliée par une distance: W = Fx. C'est à travers cette lentille que débute l'étude des leviers.
Vue d'ensemble des machines simples
Les leviers appartiennent à une classe de dispositifs appelée machines simples, qui comprend également engrenages, poulies, plans inclinés, cales et des vis. (Le mot "machine" lui-même vient d'un mot grec qui signifie "aider à rendre plus facile".)
Toutes les machines simples partagent un trait commun: elles multiplient la force au détriment de la distance (et la distance ajoutée est souvent intelligemment masquée). La loi de la conservation de l'énergie affirme qu'aucun système ne peut "créer" un travail à partir de rien, mais parce que W = Fx, même si la valeur de W est contrainte, les deux autres variables de l'équation ne le sont pas.
La variable d’intérêt dans une machine simple est son avantage mécanique, qui n’est que le rapport entre la force de sortie et la force d’entrée: MA = Fo/Fje. Souvent, cette quantité est exprimée en avantage mécanique idéal, ou IMA, qui est l’avantage mécanique dont jouirait la machine sans la présence de forces de friction.
Bases du levier
Un simple levier est une tige solide qui peut pivoter librement autour d’un point fixe appelé pivot si des forces sont appliquées sur le levier. Le point d'appui peut être situé à n'importe quelle distance sur la longueur du levier. Si le levier subit des forces sous la forme de couples, qui sont des forces agissant autour d'un axe de rotation, le levier ne se déplacera pas tant que la somme des forces (couples) agissant sur la tige est nulle.
Le couple est le produit d'une force appliquée plus la distance du point d'appui. Ainsi, un système constitué d’un seul levier soumis à deux forces F1 et F2 à des distances x1 et x2 du point d'appui est en équilibre lorsque F1X1 = F2X2.
Parmi d'autres interprétations valables, cette relation signifie qu'une force puissante agissant sur une courte distance peut être précisément contrebalancée (en supposant l'absence de pertes d'énergie due au frottement) par une force plus faible agissant sur une distance plus longue et de manière proportionnelle.
Couple et moments en physique
La distance entre le point d'appui et le point auquel une force est appliquée à un levier est appelée bras de levier, ou moment bras. (Dans ces équations, il a été exprimé en utilisant "x" pour plus de simplicité visuelle; d'autres sources peuvent utiliser un "l. Minuscule")
Les couples ne doivent pas nécessairement agir perpendiculairement aux leviers, bien que, quelle que soit la force appliquée, un angle droit (c'est-à-dire à 90 °) correspond au maximum de la force, car pour ainsi dire un peu, 90 ° = 1.
Pour qu'un objet soit en équilibre, la somme des forces et des couples agissant sur cet objet doit être égale à zéro. Cela signifie que tous les couples dans le sens des aiguilles d'une montre doivent être équilibrés exactement par des couples dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
Terminologie et types de leviers
Généralement, l’idée d’appliquer une force à un levier consiste à déplacer quelque chose en "utilisant" le compromis bidirectionnel assuré entre la force et le bras de levier. La force à laquelle vous essayez de vous opposer s'appelle la force de résistance, et votre propre force d’entrée est connue sous le nom de force d'effort. Vous pouvez donc penser que la force de sortie atteint la valeur de la force de résistance au moment où l'objet commence à tourner (c'est-à-dire lorsque les conditions d'équilibre ne sont plus remplies.
Grâce aux relations entre travail, force et distance, MA peut être exprimé comme suit:
MA = Fr/Fe = de/rér
Où de est la distance parcourue par le bras d'effort (en rotation) et dr est la distance parcourue par le bras de levier de résistance.
Les leviers entrent trois types.
Exemples de leviers composés
UNE levier composé est une série de leviers agissant de manière concertée, de sorte que la force de sortie d’un levier devienne la force d’entrée du levier suivant, permettant ainsi une multiplication considérable de la force.
Les touches de piano représentent un exemple des résultats splendides pouvant résulter de la construction de machines dotées de leviers composés. Un exemple plus facile à visualiser est un ensemble typique de coupe-ongles. Avec ceux-ci, vous appliquez une force à une poignée qui réunit deux pièces de métal grâce à une vis. Le manche est relié à la pièce métallique supérieure par cette vis, ce qui crée un point d'appui, et les deux pièces sont jointes par un second point d'appui situé à l'extrémité opposée.
Notez que lorsque vous appliquez une force sur la poignée, celle-ci se déplace beaucoup plus loin (si seulement un pouce environ) que les deux extrémités coupantes de la tondeuse, qui ne doivent bouger que de quelques millimètres pour se rapprocher et faire leur travail. La force que vous appliquez se multiplie facilement grâce à dr être si petit.
Calcul de la force du bras de levier
Une force de 50 newtons (N) est appliquée dans le sens des aiguilles d'une montre à une distance de 4 mètres (m) du point d'appui. Quelle force faut-il appliquer à une distance de 100 m de l'autre côté du pivot pour équilibrer cette charge?
Ici, attribuez des variables et définissez une proportion simple. F1= 50 N, x1 = 4 m et x2 = 100 m.
Tu sais que F1X1 = F2X2, donc x2 = F1X1/F2 = (50 N) (4 m) / 100 m = 2 N.
Ainsi, seule une infime force est nécessaire pour compenser la charge de résistance, tant que vous êtes prêt à vous tenir sur la longueur d'un terrain de football pour le faire!