Module : Sciences expérimentales et technologie les objets techniques: la mécanique  Notion de force  Leviers et balances  Etude du mouvement: - transmission - transformation

OBJECTIFS Remise à jour des connaissances en sciences Maîtrise des connaissances de base Faire le lien entre les différentes connaissances S’approprier et utiliser des notions scientifiques

Notion de force

Qu’est-ce qu’une force ?

C’est une action mécanique qu’exerce un objet sur un autre objet. Celui qui subit l’action peut connaître plusieurs effets:  Mise en mouvement  Modification du mouvement  Déformation L’objet subissant l’action peut avoir les trois effets en même temps. Remarque: – La force peut-être de contact ou à distance. – La force peut s’appliquer sur toute la surface ou de manière ponctuelle sur un objet.

Quelles sont les caractéristiques d’une force?

 Un sens : droite, gauche, bas, haut …  Une droite d’action : verticale, horizontale …  Un point d’application  Une intensité : valeur qui s’exprime en newton (symbole unité: N). L’intensité d’une force se mesure à l’aide d’un dynamomètre. On représente cette force par un segment fléché appelé vecteur-force. La longueur du segment fléché est proportionnelle à l’intensité de la force.

L’aimant attire le clou en fer qui est mis en mouvement.

Représentation d’une force: F m/e : c’est la force exercée par la main sur l’élastique. Caractéristiques de cette force : Sens : va de la droite vers la gauche, Droite d’action : elle est horizontale Point d’application de cette force : est le point de contact entre le doigt et l’élastique.

Quelques exemples de forces

 Force gravitationnelle : action à distance à l’origine cohésion de l’Univers. Exercée par des corps massiques ( planètes, étoiles)  Force de frottements: action de contact, exemple action de la roue d’une voiture sur la route.  Réaction du support: action de contact, exemple une pomme posée sur une table subit une action de la table l’empêchant de tomber.  Poussée d’Archimède: action de contact exercée par un liquide ou un gaz permettant par exemple aux bateaux de flotter.

Qu’est-ce que le poids et la masse d’un objet ? Ces deux notions sont-elles synonymes?

Masse : quantité de matière que contient un objet. S’exprime en kilogramme (symbole kg). Poids: force gravitationnelle exercée par un astre sur un objet à sa surface ou dans son voisinage. S’exprime en newton ( symbole N). grandeurs proportionnelles entre Poids et masse sont deux grandeurs proportionnelles entre elles: P= m x g Sur Terre g est égale à 9,81 N/Kg (moyenne) P :désigne le poids m: désigne la masse g: désigne l’intensité de la pesanteur. S’exprime en newton par kilogramme (N/kg)

Dynamomètre : dispositif que l’on peut utiliser pour mesurer le poids d’un objet Crochet pour tenir l’objet

Comment faire tourner la porte d’une chambre sur elle-même sans le moindre effort? Session Loïc Blanche-Barbat_IFAGEC

Pour faire tourner efficacement un objet autour de son axe de rotation il est nécessaire que:  Droite d’action de la force perpendiculaire à l’axe de rotation  Force s’applique à une distance « d » de l’axe La capacité de cette force à faire tourner un objet autour d’un axe est appelée moment. S’exprime en newton-mètre ( symbole : N.m) M= F x d Session Loïc Blanche-Barbat_IFAGEC axe de rotation

Leviers et balances

Les leviers: Constitués d’un objet long et rigide mobile autour d’un axe sur lequel deux forces s’exercent. L’axe de rotation est appelé pivot ou point d’appui. La distance entre le point d’application de la force ( motrice ou résistante) et le point d’appui est appelée bras de levier ( moteur ou résistant). Point de résistance ou force résistante Point d’appui Point de force ou force motrice Bras de levier

Existe-t-il différents types de leviers?

 Levier du premier type (ou inter-appui): le point d’appui est entre le point d’action et le point de résistance. Exemple: pied de biche  Levier du deuxième type (ou inter-résistant) : le point de résistance est entre le point d’action et le point d’appui. Exemple: la brouette  Levier du troisième type ( ou inter-effort) : le point d’action est entre le point d’appui et le point de résistance. Exemple: pont-levis Remarque : pour que la force motrice soit efficace, il faut que son moment soit supérieur au moment de la force résistante.

Les balances Sont des dispositifs utilisés pour comparer ou mesurer des masses. On distingue :  Balances par comparaison utilisent des masses marquées. Elles sont basées sur le principe de l’équilibre du fléau d’un levier du premier type. Cet équilibre correspond à l’égalité des moments des poids des objets situés de part et d’autre du fléau. Exemple : balance romaine, balance de Roberval.  Balances par déformation ( affichage à aiguille ou numérique ). Elles sont basées sur la déformation d’un ressort sous l’action du poids de l’objet. Exemple : pèse – personne.

Balance à plateau classique Plateau Fléau

Balance Romaine Fléau gradué Contrepoids qui peut être déplacé Axe Poids du fléau gradué Poids objet à peser

Balance de Roberval Fléau Plateau Contre-fléau Support central

Étude du mouvement

Qu’est-ce qu’un mouvement? Et comment le décrit-on ?

C’est le déplacement d’un corps dans l’espace par rapport à un autre corps appelé référentiel. Remarque : toujours important de définir le référentiel. Exemple je suis immobile pour mon voisin assis à côté de moi dans le bus. Mais je suis en mouvement pour une personne qui attend le bus. Description  Son sens  Sa direction  Sa vitesse : distance parcourue par unité de temps V= d / t ( s’exprime en mètre par seconde : m/s ) - si vitesse est constante : mouvement uniforme - si vitesse augmente : mouvement est accéléré - si vitesse diminue: mouvement ralenti ( ou retardé)

Description (suite)  Sa trajectoire: c’est l’ensemble des positions successives occupées par un point de l’objet en mouvement. Elle peut être: - rectiligne (droite): - circulaire (cercle) :

On distingue deux types de mouvements: Mouvement de translation : la trajectoire est rectiligne Mouvement de rotation: la trajectoire est circulaire

Comment communiquer un mouvement?

Transmission et transformation du mouvement Un mouvement peut être transmis avec ou sans changement de nature, c’est-à-dire avec ou sans transformation du mouvement initial : Mécanisme de transmission sans transformation Entrée: Mouvement X Sortie: Mouvement X Mécanisme de transmission avec transformation Entrée: Mouvement X Sortie : Mouvement Y Exemple : pédalier de bicyclette, remorque de voiture,… Exemple : moulinet d’une canne à pêche, clé à molette,…

Pour transmettre (avec ou sans transformation) un mouvement il est nécessaire d’utiliser des mécanismes. Ces mécanismes peuvent contenir les pièces suivantes ( liées ou non entre elles):  Poulies  Roues dentées, roues de friction  Chaînes  Courroies  Crémaillère  Vis sans fin  Ecrous  Pistons

Roue menante Mécanisme: engrenages cylindrique droit Roue menée Transmission d’un mouvement de rotation sans transformation

Mécanisme: engrenage cylindrique conique Roue dentée cylindrique Roue dentée conique Transmission d’un mouvement de rotation sans transformation ( mais le plan de rotation change)

Mécanisme: roue dentée+crémaillère Roue dentée Crémaillère Tire-bouchon Session écrit_Formiris Transformation d’un mouvement de rotation en mouvement de translation

Transmission du mouvement à l’aide d’une chaîne Roue menée Mécanisme: engrenage roues dentées + chaîne. Roue menante

Transmission du mouvement à l’aide d’une courroie poulies

Manivelle ( appelée vilebrequin chez les mécaniciens) Mécanisme: bielle-manivelle Bielle Piston

Entrée: Mouvement de translation alternative du piston ( va et vient) Sortie: Mouvement de rotation de la manivelle Mécanisme: bielle-manivelle (suite) Mouvement de rotation et de translation alternative de la bielle

Comment augmenter ou diminuer la vitesse transmission d’un mouvement?

Le rapport de transmission: C’est le rapport de la vitesse de sortie sur la vitesse d’entrée. Si le résultat du rapport est supérieur à 1 ( vitesse de sortie plus grande que vitesse d’entrée ) on parle de multiplication ( on dit que le mécanisme est multiplicateur) Si le résultat du rapport est inférieur à 1 ( vitesse de sortie plus petite que vitesse d’entrée ) on parle de démultiplication ( on dit que le mécanisme est démultiplicateur)

Le rapport de transmission (suite) : Dans le cas de roues dentées, le rapport de transmission est égal au rapport du nombre de dents de la roue menante sur le nombre de dents de la roue menée. Remarque : On peut aussi considérer le diamètre de chacune des roues au lieu du nombre de dents. R T = Vs/Ve = N M / N m = D M /D m R T : rapport de transmission Vs : vitesse de sortie Ve: vitesse d’entrée N M : nombre de dents roue menante N m : nombre de dents roue menée D M : diamètre roue menante D m : diamètre roue menée

Ce qu’il faut retenir: Dispositif démultiplicateur: vitesse de sortie faible, effort à l’entrée peu important, rapport de transmission inférieur à 1 Dispositif multiplicateur: vitesse de sortie importante, effort à l’entrée important, rapport de transmission supérieur à 1

Dispositif : le palan Principe de fonctionnement : Ce système de poulies démultiplie la force de traction exercée sur la corde. Pour soulever la charge d'un mètre, il faut tirer la corde sur deux mètres, mais avec deux fois moins d'effort. Par contre La vitesse pour lever la charge est faible On dit que c’est un système démultiplicateur : faible effort à fournir mais faible vitesse d’élévation charge. Plus le palan utilise de poulies, plus il est efficace: l'effort est divisé par le nombre de poulies. poulie Charge à soulever

Comment représenter le système de transmission d’un mécanisme?

Chaîne cinématique C’est une description du fonctionnement de dispositifs techniques. Cela consiste à répertorier les différents éléments mécaniques intervenants de l’entrée à la sortie du dispositif technique, les liens entre eux ainsi que la nature du mouvement engendré. Exemple : chaîne cinématique d’un vélo. Eléments mécaniques de l’entrée à la sortie du système : pédales, roue dentée (avant ) chaîne et roue dentée (arrière) Pédales Rotation par transmission directe Roue dentée (avant) chaîne Roue dentée (arrière) Rotation par engrenage