Une force résistante

LEVIERS
EQUILIBRE,
BALANCES
Situation défi n°1
Comment soulever
une charge lourde
avec un seul doigt ?
En classe…
http://www.montpellier.iufm.fr/technoprimaire/index5.htm
http://www.wmaker.net/tekzep/Les-leviers-cycle-3_a87.html
Nous explorons une possibilité
avec un système de levier.
Il faut rassembler :
Une barre solide
Un pivot
Il faut appliquer :
Une force pour le déplacement ( force motrice)
Pour parvenir à déplacer la charge qui présente
> Une force de pesanteur (force résistante)
FM
F1 : force motrice
F2 : force résistante
FR
La place du pivot est importante.
Dans notre dispositif, il est entre la force motrice et la
force résistante.
En résumé, le levier ici amplifie
l’effort à fournir.
F1
F2
F1 : force motrice
F2 : force résistante
I- Les leviers
Qu’est-ce qu’un levier?
• Un levier est constitué d’une partie solide (une barre,
une planche, ou une poutre…)
Cette partie solide est mobile autour d’un
axe de rotation que l’on peut aussi nommer
« point d’appui » ou « pivot ».
Aux temps anciens,
les machines de Michael et Mary Woods
• Sur ce point d’appui va s’exercer deux forces:
- Une force motrice
Elle est exercée par le doigt, la main…
- Une force résistante
Elle est exercée par la charge.
Concours de professeur des écoles, préparation
à l’épreuve de sciences, Nathan
• Définition de la Force : action mécanique exercée sur un
corps ou un objet. La force est exprimée en Newtons
(N). Elle a une intensité plus ou moins forte.
• On peut classer les actions mécaniques en deux
grandes familles :
- les actions à distance : le poids et les forces
électromagnétiques ;
- les actions de contact, résultant de contact entre deux
objets,
• La distance entre le point d’appui et le point d’application
d’une des forces est appelée « le bras de levier ».
Concours de professeur des écoles, préparation
à l’épreuve de sciences, Nathan
Les différents types de leviers:
Si l’axe de rotation est placé entre la force motrice et la
force résistante = Levier inter-appui (ou de 1er type)
- Si la force résistante est placée entre l’axe de rotation et
la force motrice = Levier inter-résistant ( 2ème type)
- Si la force motrice est placée entre l’axe de rotation et la
force résistante = Levier inter-effort (ou de 3ème type).
Le moment d’un force :
http://subaru2.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/meca/leviers.html
Propriétés des leviers:
http://www2.fsg.ulaval.ca/opus/physique534/resumes/35b.shtml
« Donnez moi un point d’appui
et je vous soulèverai
le monde »
(Archimède)
www.wikidive.com
• Les leviers peuvent être utilisés pour diverses raisons:
- Pour augmenter la force:
Concours de professeur des écoles, préparation
à l’épreuve de sciences, Nathan
Plus le bras de levier sera long,
plus il sera facile de soulever
une lourde charge.
- Pour augmenter l’amplitude d’un mouvement, la
vitesse de déplacement:
Plus l’amplitude du mouvement est grande, plus il y aura
de vitesse et d’accélération.
Concours de professeur des écoles, préparation
à l’épreuve de sciences, Nathan
- Pour faire le point…
http://www.damery.com/crpe/index.php?option=com_content&view=article&id=
176:technologie-leviers-et-balances&catid=15:technologie&Itemid=18
II- L’équilibre
Poids et masse : quelle différence?
• La masse mesure la quantité de matière qui
constitue un corps ou un objet. On l’exprime
en kilogrammes (kg).
www.wikipedia.org
• Le poids est la force de gravitation terrestre
qui s’exerce sur un corps ou un objet.
P = mg
P : poids en N
m : masse en kg
g : constante de
gravitation. g = 9,81
Google earth
Moment d’une force
• C’est l’action (ou la capacité) d’une force. Il s’exprime en
Newtons/mètres (N/m)
• Le moment M est égal au produit de son intensité F par
la distance entre l’axe et son point d’application
M = Fd
M : moment de la force en N/m
F : force en N
d : distance en m
M1 = d1 x P1
M2 = d2 x P2
Les sciences et la technologie au concours de
professeur des écoles, Hachette éducation
L’équilibre
• Etat de repos résultant de l’action de forces qui
s’annulent.
F
charge
axe
P
P
pivot
• La somme des forces P et F est nulle. On est
donc en situation d’équilibre
Quelques situations d’équilibre…
Mobiles
Balances
Grues
www.cfp85.info-claroline
L’équilibre dans un levier
A la position d’équilibre d’un levier, on peut dire que :
• La somme des forces appliquées au levier est nulle
• Les moments des forces antagonistes sont égaux :
M1 = M2
F
Hachette, préparation au concours de
professeur des écoles
II- Les balances
Il existe deux types de balances :
• Les balances qui mesurent la masse des objets
par comparaison avec une masse de référence.
Elles utilisent l’équilibre.
• Les balances qui mesurent le poids des objets
par déformation d’un solide (pèse-personne). Elles
n’utilisent pas l’équilibre.
Les balances par comparaison
• Elles comportent deux plateaux, et un fléau reposant sur un pivot.
• Dans l’un des plateaux, on met la masse à évaluer, dans l’autre on
met des masses marquées jusqu’à obtention de l’équilibre (fléau
horizontal). L’équilibre est obtenu quand on a la même masse de
chaque côté de l’axe.
www.cfp85.info-claroline
Trébuchet
Les balances par comparaison (suite)
www.cfp85.info-claroline
www.cfp85.info-claroline
Balance Roberval
Balance romaine
TRANSMISSION ET TRANSFORMATION DE
MOUVEMENTS
A- Les différents types de mouvements et leurs caractéristiques.
B- Les formes d’énergie à l’entrée.
C- Transmission et transformation de mouvements
D- Les systèmes à transmission de mouvements
E- Les systèmes à transformation de mouvements
A- Les différents types de mouvements et leurs
caractéristiques.
Les différents types de mouvements :
1) Le mouvement de translation
Il y a différentes translations :
-
la translation rectiligne : les trajectoires de tous les points sont
sur un segment de droite.
Ex. une fenêtre coulissante, le casier d’une boîte d’allumette, une marchandise
posée sur le tapis roulant à la caisse d’un supermarché
-
la translation curviligne ou circulaire : les trajectoires sont des
courbes, des cercles.
Ex. un téléphérique suspendu à un câble, une barre d’accouplement des roues
d’une locomotive, les casiers d’une caisse à outils
2) Le mouvement de rotation
Il y a différentes rotations :
-
la rotation autour d’un axe : tous les points du mobile décrivent
des arcs de cercle centrés sur la même droite fixe appelée : l’axe de
rotation.
Ex. les aiguilles d’une pendule, un bouton que l’on tourne sur un appareil électrique,
les roues libres d’un caddie de supermarché
-
La rotation autour d’un point : chaque point du solide reste à égal
distance du centre de rotation.
Ex. une aiguille d’une boussole qui repose sur un pivot, un objet posée en équilibre
sur un doigt
3) Le mouvement hélicoïdal : ce mouvement combine en même temps
une rotation autour d’un axe et d’une translation de cet axe.
Ex. la tige filetée d’un étau, une vis que l’on visse avec un tournevis
Les caractéristiques des mouvements :
-
le mouvement est décrit par sa trajectoire (= le trajet suivi par le
mobile) et par la vitesse du mobile.
-
le mouvement présente une direction et un sens (orienté).
-
le mouvement peut-être continu (toujours dans le même sens).
Ex. les aiguilles d’une montre
-
le mouvement peut-être alternatif (il change périodiquement de sens).
Ex. les essuie-glaces d’une voiture, les chevaux qui montent et qui descendent dans
un manège.
Lorsque deux pièces mécaniques assemblées sont liées par:
leur liaison, celle-ci peut être :
- complète (le manche d’un marteau) ou - partielle (le tiroir dans le casier d’un
bureau et le bureau posé sur 4 pieds au sol)
- directe (la bouteille et le bouchon) ou - indirecte (les 2 lames d’une paire de
ciseaux qui sont reliées par un axe)
- temporaire (le patin et la jante sur un vélo qui ne sont pas toujours en contact) ou permanente (le cadre de la porte et la porte)
- démontable (les fouets démontables d’un batteur électrique) ou - indémontable
(la mine et le bois d’un crayon à papier)
- élastique (un ressort) ou - rigide (le train électrique).
B- Les formes d’énergie à l’entrée.
Pour provoquer un mouvement, il faut une source d’énergie qui transfère
de l’énergie sous différentes formes.
On peut utiliser :
- les muscles, ils transfèrent de l’énergie par travail. Ex. pour pédaler, pour
actionner la manivelle d’une essoreuse à salade.
- une pile, elle transfère de l’énergie par électricité à un moteur pouvant
entraîner le mécanisme. Ex. un jouet.
- un ressort, un élastique, ils transfèrent de l’énergie par travail. Ex. les
jouets.
- l’énergie cinétique de l’air, transférée par travail. Ex. le cas d’un moulinet,
d’une éolienne, d’un moulin à vent.
C- Transmission et transformation de mouvements.
Classe les différents objets selon le mouvement d’entrée et le
mouvement de sortie de leur mécanisme.
www.achatpeche.com
www.testadaz.com
flavienganter.eu
cgi.ebay.fr
www.boutique-fn.net
www.castorama.fr
stsp.creteil.iufm.fr
cgi.ebay.fr
stsp.creteil.iufm.fr
lesanonymesdusocc
er.over-blog.com
stsp.creteil.iufm.fr
www.busiboutique.com
SORTIE
E
N
T
R
E
E
Rotation
Rotation
Translation
-essoreuse à salade
-bicyclette (pédalier/roue)
-tire bouchon à bras
-tube de colle
-moulinet de canne à pêche
-montre
- clé à molette
TRANSMISSION
-cuillère à glace
- parapluie
Translation
TRANSFORMATION
-stylo à bille
-rideaux (changement de
plan)
-pompe à vélo
TRANSFORMATION
TRANSMISSION
Définitions
Transmission, transformation de mouvements:
La transmission de mouvements se fait sans transformation si les
mouvements d’entrée et de sortie sont de même nature, avec
transformation de mouvement si les mouvements d’entrée et de sortie sont
de natures différentes.
Chaîne de transmission de mouvements:
Elle présente chronologiquement l’enchaînement des mouvements contribuant
à la transmission ou à la transformation du mouvement de l’entrée à la sortie du
système, c’est à dire de la pièce sur laquelle agit l’utilisateur jusqu’à la pièce
qui agit sur le milieu extérieur.
Ex : l'essoreuse à salade.
Main motrice ►mouvement de rotation de la manivelle
►mouvement de rotation de la 1ère roue dentée ►mouvement
de rotation de la 2è roue dentée ►mouvement de rotation des
crochets ►mouvement de rotation du panier.
D- Les systèmes à transmission de mouvements.
Dispositifs
Schéma
Système
d’entraînement
par friction
Concours professeur des écoles, préparation à l’épreuve
de sciences,Nathan
Principe de
fonctionnement
Objets utilisant
ces systèmes
Une roue A qui tourne,
si on met en contact
avec elle une roue B, la
roue B est entraînée par
la roue A.
La roue A est la roue
d’entrée ou menante ou
motrice ou entraînée.
La roue B est la roue de
sortie ou menée ou
réceptrice ou entraînée.
Les deux roues tournent
en sens inverse.
Le système est
réversible.
- le galet de
l’alternateur d’une
bicyclette qui est
entraîné par le
pneumatique de la
roue
Dispositifs
Système poulie
ou poulie à
gorge
Schéma
Principe de
fonctionnement
La poulie est constituée
d’une roue dont la jante
présente une gorge destinée à
recevoir un organe de
transmission réalisée par une
bande souple : une courroie
ou une corde.
La poulie est une pièce
mécanique que l’on retrouve
Concours professeur des écoles, préparation à l’épreuve
dans des dispositifs pour
de sciences,Nathan
soulever, pour transporter des
charges, pour transmettre des
mouvements de rotation.
Il y a des poulies fixes (b) (et
la charge est liée au câble) ou
des poulies mobiles (a)
(poulie mobile et liée à la
charge).
Objets
utilisant ces
systèmes
Dispositifs
Schéma
Principe de
fonctionnement
Objets
utilisant ces
systèmes
1) L’effort à fournir pour
- la poulie au
soulever la charge est égal au dessus d’un
poids de celle-ci.
puits
1) Système
poulie simple
fixe
2) Il y a une poulie fixe et
une poulie mobile. L’effort à
fournir pour soulever la
charge est égal à la moitié du
poids de celle-ci. Cependant
ce que l’on « gagne » en
force, on le « perd » en
déplacement.
2) Système
poulie double
3) Système à
poulies multiples
3) Ce principe permet de
soulever de lourdes charges
en exerçant une force limitée.
ou le palan
Concours professeur des écoles,
préparation à l’épreuve de
sciences,Hchatte éducation
- une grue
Concours professeur des écoles, préparation à
l’épreuve de sciences,Nathan
Dispositifs
Schéma
Système à
cardan
Concours professeur des écoles, préparation à l’épreuve
de sciences,Nathan
Principe de
fonctionnement
Objets
utilisant ces
systèmes
Le cardan est un mode
d’articulation (inventeur
Jérôme Cardan au XVIème
siècle). Il permet de
transmettre un mouvement
de rotation entre deux arbres,
en changeant faiblement
l’axe.
On le rencontre dans le
système de direction de la
voiture pour transmettre un
mouvement de rotation, tout
en modifiant la direction de
celui-ci.
-le volant qui
permet de
bouger les roues
d’une voiture
C’est un dispositif réversible.
- les volets
roulants (la
manivelle pour
faire monter ou
descendre le
volet)
Dispositifs
Schéma
Système pouliescourroie
Concours professeur des écoles, préparation à
l’épreuve de sciences,Nathan
Principe de
fonctionnement
Objets
utilisant ces
systèmes
Ce système comporte deux
poulies reliées par une
courroie, par un câble.
-les téléphériques
Il a pour fonction de
- les téléskis
transmettre à distance un
- les télésièges
mouvement de rotation. Il
peut aussi en modifier son
sens, sa vitesse…
Quelques caractéristiques :
- le sens de rotation (a) :
deux poulies reliées par une
courroie directe ont le même
sens de rotation, alors que
deux poulies reliées par une
courroie croisée (b) ont des
sens de rotation inverses
- la vitesse de rotation : deux
poulies de même diamètre
effectuent en même temps le
même nombre de tours.
Dispositifs
Schéma
Système
d’engrenages
Concours professeur des écoles,
préparation à l’épreuve de
sciences,Hchatte éducation
Principe de
fonctionnement
Ce système est constitué de
roue dentées, appelées
pignons, qui sont en contact
deux à deux et s’imbriquent
les unes dans les autres par
leurs dents.
Le mouvement d’une roue
motrice est transmis à
l’ensemble des roues de
l’engrenage. Deux pignons
qui se touchent tournent en
sens inverse.
Les engrenages sont utilisés
pour transmettre un
mouvement circulaire, mais
surtout pour leur possibilité
de modifier la vitesse de
rotation.
Objets
utilisant ces
systèmes
- une horloge
- une montre
www.boutique-fn.net
Dispositifs
Schéma
Système roues
Principe de
fonctionnement
Objets
utilisant ces
systèmes
- la chaîne d’un
Ce système comporte deux
vélo
roues dentées reliées à
distance par une chaîne.
Celle-ci est constituée de
maillons articulés les uns
avec les autres, la chaîne
s’encastre dans les dents des
roues afin d’éviter tout
glissement : à un maillon
correspond une dent de la
roue dentée.
dentées-chaîne
stsp.creteil.iufm.fr
(Le système est réversible en
ce qui concerne le sens de
rotation).
Dispositifs
Schéma
Système vis sans
fin – roue dentée
Concours professeur des écoles,
préparation à l’épreuve de
sciences,Hchatte éducation
Principe de
fonctionnement
Objets
utilisant ces
systèmes
Ce mécanisme a été inventé
par Archimède, il permet de
transformer un mouvement
de rotation en une autre
rotation autour d’un axe
perpendiculaire.
Il est constitué d’une vis sans
fin et d’une roue dentée.
Un tour complet de la vis
sans fin, qui ne possède
« qu’une seule dent », fait
tourner la roue dentée d’une
seule dent.
-les batteurs
électriques
- les boîtes à
musique
Ce système n’est pas
réversible.
E- Les systèmes à transformation de mouvements.
Dispositifs
Schéma
Système pignon
- crémaillère
stsp.creteil.iufm.fr
Hatier concours,
professeur des écoles,
2008
Principe de
fonctionnement
La rotation de la roue
dentée entraîne la
crémaillère dans un
mouvement de
translation rectiligne ;
ou bien le
mouvement de
translation de la
crémaillère entraîne
la roue dentée dans
un mouvement de
rotation.
Le système est
réversible.
Le déplacement de la
crémaillère peut-être
calculé:
D = N.d = N.p.Z
Objets utilisant
ces systèmes
- certains portails
électriques
- cuillère à glace
N: nombre de tours de
roue.
d: déplacement pour un
tour de roue.
p: pas de la crémaillère,
distance entre deux dents
voisines.
Z: nombre de dents de la
roue.
Dispositifs
Schéma
Le treuil (système
poulie – câble)
Principe de
fonctionnement
Un câble (ou une corde)
s’enroule autour d’un
tambour (cylindre). La
rotation du tambour
provoque une translation
du câble et inversement.
Le système est réversible.
Hatier concours,
professeur des écoles,
2008
Hatier concours,
professeur des écoles,
2008
Lorsqu’on compare les
moments de la force F,
appliquée par l’utilisateur
sur la manivelle (rayon R)
et du poids P de la charge
à soulever qui s’exerce
sur le câble enroulé sur le
tambour de rayon r, on a à
l’équilibre: F.R = P.r
Objets
utilisant ces
systèmes
- treuil de puits
- grue
- moulinet de
canne à pêche
Dispositifs
Schéma
Système came - tige
cm1cm2.ceyreste.free.fr
Principe de
fonctionnement
En tournant autour de son
axe, la came fait subir un
mouvement rectiligne
alternatif à la tige.
Une came, liée par
contact à une tige, permet
donc de transformer un
mouvement de rotation
continu en un mouvement
de va-et-vient.
Hatier concours,
professeur des écoles,
2008
Le système n’est pas
réversible.
Objets utilisant
ces systèmes
- automobile
(arbre à came)
- certaines
machines à
coudre
Dispositifs
Schéma
En tournant sur ellemême, une vis, qui ne
peut pas avancer ou
reculer, fait avancer un
écrou qui, lui, ne peut
pas tourner.
Système vis - écrou
cm1cm2.ceyreste.free.fr
pgm.discip.ac-caen.fr
Principe de
fonctionnement
Le système n’est pas
réversible.
Objets utilisant
ces systèmes
- étau
- tube de colle
Dispositifs
Schéma
Système bielle manivelle
www.ac-nancy-metz.fr
Principe de
fonctionnement
Le système biellemanivelle est un
ensemble mécanique
comportant la manivelle
effectuant un mouvement
de rotation continu et la
bielle assurant la
transformation du
mouvement à une autre
pièce animée d’un
mouvement alternatif.
Le système est réversible.
Hatier concours, professeur des écoles, 2008
Objets utilisant
ces systèmes
- machine à
coudre à pédale
- train
- machine à
vapeur
Répertorie les systèmes de transmission et de transformation de
mouvements.
SORTIE
Rotation
- système d’entraînement
par friction
E
N
T
R
E
E
Rotation
- système de pouliescourroie
- pignon/crémaillère.
- treuil
- bielle/manivelle
- système à cardan
- came/tige
- système d’engrenages
- vis/écrou
- pignon/crémaillère.
- tige/câble
- treuil
Translation
Translation
- bielle/manivelle