Introduction/Motivation
lequel d’entre vous les élèves aiment vraiment soulever ou déplacer des objets lourds? Un travail aussi intense consomme notre énergie, nous laissant souvent très fatigués et fatigués et, parfois, blessés si nous soulevons ou déplaçons des objets de manière incorrecte. Ce résultat malheureux est précisément la raison pour laquelle les ingénieurs réfléchissent continuellement à des moyens de travailler plus facilement — afin que nous puissions travailler plus intelligemment et non plus plus dur. Les ingénieurs y parviennent notamment en concevant des machines qui facilitent le travail et le rendent plus efficace., Plus précisément, chaque machine est aujourd’hui composée d’une ou plusieurs des six machines simples connues — les composants fondamentaux de toutes les machines mécaniques. Dans cette leçon, nous étudierons en détail trois de ces dispositifs utiles: le plan incliné, le coin et la vis. Bien que les ingénieurs utilisent chacune de ces trois machines simples à des fins différentes, ils fonctionnent tous sur les mêmes principes mécaniques.
avant d’aller plus loin, nous avons besoin d’un bref examen des principes essentiels sur les machines simples (ce qui s’avérera particulièrement utile lors de l’étude de chaque machine individuelle)., Le fait le plus important est que les machines simples ne jamais changer la quantité de travail effectué, seulement la façon dont le travail est fait. Regardons la définition du travail, qui est définie comme le produit de la force et de la distance et de l’écrit mathématiquement:
Puisque la quantité de travail à faire ne change pas pour une corvée, cette valeur reste constante. Cependant, la force et la distance peuvent en fait être modifiées., Les machines simples accomplissent souvent le travail différemment en appliquant la force d’entrée, ou l’effort, sur une plus grande distance afin de rendre le travail plus facile à effectuer. Autrement dit, Afin de réduire la quantité de force requise pour effectuer le travail, la distance doit être augmentée proportionnellement. Par exemple, disons Qu’Emma l’ingénieur doit faire 20 Joules de travail. Elle peut accomplir de différentes façons, dont l’une est d’exercer une force de 20 Newtons sur une distance de 1 mètre. Cependant, une méthode plus simple peut impliquer l’application d’une simple force de 2 Newton sur une distance de 10 mètres., Dans les deux cas, Emma fait la même quantité de travail; cependant, il est beaucoup plus facile pour elle d’accomplir cela en appliquant moins de force sur une distance supplémentaire. La Figure 2 illustre comment la même quantité de travail peut être accomplie de différentes façons, bien que certaines façons soient plus faciles — ou plus efficaces — que d’autres. C’est le cas lors de l’utilisation d’une machine.
plan incliné
le plan incliné (voir Figure 3) est peut-être la machine simple la plus ancienne et la plus rudimentaire connue des ingénieurs. En fait, beaucoup d « entre vous se demandent probablement comment une surface inclinée pourrait éventuellement être classée comme une » machine. »Néanmoins, cet appareil donne aux ingénieurs la capacité extraordinaire de soulever facilement des objets lourds vers une position plus élevée.
L’idée clé ici est que moins d’effort est nécessaire si une charge est transférée sur une longue rampe d’accès ou de chemin en pente, par opposition à la levée directement sur une trajectoire verticale. Par exemple, vous avez peut-être remarqué comment les déménageurs déplacent des objets très lourds, comme un piano, à l’arrière de leur camion de déménagement. Évidemment, ils ne peuvent pas facilement soulever un meuble aussi lourd directement à l’arrière de leur camion., Au lieu de cela, ils utilisent une longue rampe, — ou plan incliné — pour terminer le travail. Cette idée a été utilisée il y a longtemps par les anciens Égyptiens: ils ont utilisé le plan incliné et la force humaine pour ériger des structures monumentales à des hauteurs incroyables. Encore aujourd’hui, les ingénieurs utilisent le plan incliné dans de nombreuses autres applications afin d’accomplir des tâches apparemment impossibles. Quelques-uns de ces exemples incluent les rampes pour fauteuils roulants, les escaliers mécaniques, les escaliers, les autoroutes et même les sentiers de randonnée, qui reposent tous sur le plan incliné pour soulever plus facilement des objets lourds.,
Wedge
en plus de soulever des objets lourds, les ingénieurs sont également intéressés à fendre ou séparer des matériaux avec le moins d’effort possible. Dans ce cas, les ingénieurs utilisent l’utilisation d’un coin de sorte que les tâches telles que couper le bois de chauffage, couper le papier et tondre nos cours sont beaucoup plus faciles. La cale, comme illustré à la Figure 4, est une machine simple souvent considérée comme une légère variation du plan incliné puisqu’elle est en réalité constituée de deux plans inclinés mis dos à dos. En conséquence, une extrémité est plus épaisse que l’autre de sorte qu’un tranchant tranchant est formé.,
s’il est vrai que le coin est très similaire au plan incliné, physiquement, les ingénieurs utilisent cette machine pour des objectifs légèrement différents. Le plan incliné fonctionne pour transporter des objets lourds sur une surface stationnaire, tandis que le coin lui-même peut se déplacer pour déplacer ou soulever des objets., Par conséquent, le coin est essentiellement un plan incliné en mouvement. Lorsqu’un coin est déplacé, une force vers l’avant est convertie en force vers l’extérieur ou de séparation utilisée pour séparer ou fendre le matériau.
même si le coin peut également être utilisé pour soulever ou déplacer des objets sur une courte distance, tout au long de l’histoire, il a été principalement utilisé comme un dispositif de coupe précieux. Une hache est un exemple classique de la façon dont un coin est utilisé pour faciliter le travail. Pouvez-vous imaginer combien il serait de couper un arbre ou de couper du bois sans une hache?, Même le plus fort des hommes tirant sur un morceau de bois dans des directions opposées ne pouvait pas terminer la corvée. Pourtant, généralement un gros coup de hache accomplira l’exploit avec peu d’effort.
en plus de la hache, d’autres outils familiers tels qu’un couteau, une pelle, une charrue et des ciseaux profitent tous de la cale afin de séparer facilement le matériel lié. Pouvez-vous penser à d’autres appareils où le coin est au travail? Parfois, il est difficile d’identifier le coin dans les différentes conceptions techniques aujourd’hui en raison des nombreuses apparences différentes qu’il peut avoir., Il est intéressant, Cependant, quand nous réalisons où le coin peut être trouvé dans autant d’endroits inconnus ainsi, comme la coque d’un navire, ailes d’avion, et même nos dents de devant!
VIS
alors que les six machines simples ont leurs propres qualités distinctes, seule la vis est capable de convertir une force de rotation en une force linéaire favorable. Cette caractéristique est souhaitable dans de nombreuses applications d’ingénierie où le mouvement de rotation est la seule source d’effort disponible pour effectuer un travail, comme un moteur à réaction., Semblable à la cale, la vis (voir Figure 5) est également étroitement liée au plan incliné puisqu’elle est en fait composée d’un plan incliné enroulé autour d’un cylindre. Les bords en spirale autour de la surface cylindrique, communément appelés les filets de vis, donnent à la vis sa capacité à faire du travail.
puisque les ingénieurs peuvent appliquer cette machine à deux applications indépendantes différentes, la vis a deux classifications générales: la vis de fixation et la vis de levage. Contrairement à la cale, qui est conçue pour couper et séparer le matériau, la vis de fixation est utilisée pour fixer et joindre deux morceaux de matériau ensemble. Ce type de vis a généralement des filets tranchants qui coupent dans les pièces jointes. Les matériaux finissent par être pressés et maintenus ensemble entre la tête de la vis et ses filets., Le frottement des filets rugueux, d’autre part, empêche la vis de se desserrer au fil du temps.
la vis de levage est l’autre type de vis, conçue principalement pour soulever ou déplacer la masse dans une direction parallèle à l’axe de la vis. Étant donné que la vis de levage doit tourner plusieurs fois afin d’avancer la charge sur une courte distance, le travail est facilité avec son aide. Bien qu’il puisse être difficile à visualiser, un excellent exemple de la vis de levage est une hélice commune trouvée sur un petit avion ou un bateau., Lorsque l’hélice est tournée par une force de rotation fournie par le moteur, une force linéaire est créée le long de son axe de rotation pour produire une poussée. Les ingénieurs aéronautiques ont également trouvé cet outil exceptionnellement bénéfique pour les rotors d’hélicoptères et les moteurs à réaction.
en plus de l’hélice, un escalier en colimaçon, un écrou et un boulon, une vis à bois, une vis sans fin, un foret, un engrenage à vis sans fin et un moulin à vent sont également de bons exemples de la façon dont la vis est appliquée dans de nombreux systèmes d’ingénierie utiles aujourd’hui.