EQUILIBRE, BALANCES ET LEVIERS

Comment soulever une table avec un doigt? 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. F1 F2 F1 : force motrice F2 : force résistante

I- 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). Le poids est la force de gravitation terrestre qui s’exerce sur un corps ou un objet. www.wikipedia.org P : poids en N m : masse en kg g : constante de gravitation. g = 9,81 P = mg 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 : moment de la force en N/m F : force en N d : distance en m M = Fd 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

III- 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 (Fm): Elle est exercée par le doigt, la main… Une force résistante (Fr): Elle est exercée par la charge. Concours de professeur des écoles, préparation à l’épreuve de sciences, Nathan

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: Trois grandes catégories de leviers: Si l’axe de rotation est placé entre la force motrice et la force résistante = Levier inter-appui (ou de 1er type) www.cfp85.info-claroline

= Levier inter-résistant (ou de 2ème type) Si la force résistante est placée entre l’axe de rotation et la force motrice = Levier inter-résistant (ou de 2ème type) www.cfp85.info-claroline

= Levier inter-effort (ou de 3ème type). Si la force motrice est placée entre l’axe de rotation et la force résistante = Levier inter-effort (ou de 3ème type). www.cfp85.info-claroline

Propriétés des leviers: « 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

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. 1) Le mouvement de translation Il y a différentes translations : la translation rectiligne : les trajectoires de tous les points sont sur la droites. 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

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 points : chaque points 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

Les caractéristiques des mouvements : 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 cgi.ebay.fr stsp.creteil.iufm.fr lesanonymesdusoccer.over-blog.com stsp.creteil.iufm.fr www.busiboutique.com stsp.creteil.iufm.fr

SORTIE E N T R Rotation Translation TRANSMISSION TRANSFORMATION -essoreuse à salade -bicyclette (pédalier/roue) -montre -tire bouchon à bras -tube de colle -moulinet de canne à pêche - clé à molette TRANSMISSION TRANSFORMATION -stylo à bille -rideaux (changement de plan) -pompe à vélo cuillère à glace parapluie 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.

Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes D- Les systèmes à transmission de mouvements. Dispositifs Schéma 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. Système d’entraînement par friction le galet de l’alternateur d’une bicyclette qui est entraîné par le pneumatique de la roue Concours professeur des écoles, préparation à l’épreuve de sciences,Nathan

Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Dispositifs Schéma Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes 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 dans des dispositifs pour 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). Système poulie ou poulie à gorge Concours professeur des écoles, préparation à l’épreuve de sciences,Nathan

Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Dispositifs Schéma Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes 1) L’effort à fournir pour soulever la charge est égal au poids de celle-ci. la poulie au dessus d’un 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 ou le palan 3) Ce principe permet de soulever de lourdes charges en exerçant une force limitée. 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

Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Dispositifs Schéma 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. C’est un dispositif réversible. le volant qui permet de bouger les roues d’une voiture les volets roulants (la manivelle pour faire monter ou descendre le volet) Système à cardan Concours professeur des écoles, préparation à l’épreuve de sciences,Nathan

Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Dispositifs Schéma Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Ce système comporte deux poulies reliées par une courroie, par un câble. Il a pour fonction de transmettre à distance un 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. Système poulies-courroie les téléphériques les téléskis les télésièges Concours professeur des écoles, préparation à l’épreuve de sciences,Nathan

Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Dispositifs Schéma Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes 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. une horloge une montre Système d’engrenages www.boutique-fn.net Concours professeur des écoles, préparation à l’épreuve de sciences,Hchatte éducation

Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Dispositifs Schéma Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Système roues dentées-chaîne Ce système comporte deux 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. (Le système est réversible en ce qui concerne le sens de rotation). - la chaîne d’un vélo stsp.creteil.iufm.fr

Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Dispositifs Schéma 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. Ce système n’est pas réversible. les batteurs électriques les boîtes à musique Système vis sans fin – roue dentée Concours professeur des écoles, préparation à l’épreuve de sciences,Hchatte éducation

E- Les systèmes à transformation de mouvements.

Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Dispositifs Schéma Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Système pignon - crémaillère 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. certains portails électriques cuillère à glace Hatier concours, professeur des écoles, 2008 stsp.creteil.iufm.fr 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. Le système est réversible. Le déplacement de la crémaillère peut-être calculé: D = N.d = N.p.Z

Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Dispositifs Schéma Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Le treuil (système poulie – câble) Un câble (ou une corde) s’enroule autour d’un tambour (cylindre). La rotation du tambour provoque une translation du câble et inversement. - treuil de puits - grue - moulinet de canne à pêche Le système est réversible. 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 Hatier concours, professeur des écoles, 2008 Hatier concours, professeur des écoles, 2008

Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Dispositifs Schéma Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Système came - tige 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. automobile (arbre à came) certaines machines à coudre Hatier concours, professeur des écoles, 2008 Le système n’est pas réversible. cm1cm2.ceyreste.free.fr

Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Dispositifs Schéma Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes En tournant sur elle-même, une vis, qui ne peut pas avancer ou reculer, fait avancer un écrou qui, lui, ne peut pas tourner. Système vis - écrou étau tube de colle Le système n’est pas réversible. cm1cm2.ceyreste.free.fr pgm.discip.ac-caen.fr

Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Dispositifs Schéma Principe de fonctionnement Objets utilisant ces systèmes Système bielle - manivelle Le système bielle-manivelle 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. machine à coudre à pédale - train - machine à vapeur www.ac-nancy-metz.fr Le système est réversible. Hatier concours, professeur des écoles, 2008

Répertorie les systèmes de transmission et de transformation de mouvements. SORTIE Rotation Translation E N T R système d’entraînement par friction système de poulies-courroie système à cardan système d’engrenages pignon/crémaillère. treuil bielle/manivelle came/tige vis/écrou pignon/crémaillère. treuil bielle/manivelle - tige/câble