Au cours de l’histoire, les humains ont développé plusieurs dispositifs pour faciliter le travail. Les plus remarquables d’entre eux sont connus sous le nom des « six machines simples » : la roue et l’essieu, le levier, le plan incliné, la poulie, la vis et le coin, bien que les trois derniers ne soient en fait que des extensions ou des combinaisons des trois premiers.
Parce que le travail est défini comme une force agissant sur un objet dans la direction du mouvement, une machine facilite le travail en accomplissant une ou plusieurs des fonctions suivantes, selon Jefferson Lab :
- transférer une force d’un endroit à un autre,
- modifier la direction d’une force,
- augmenter l’ampleur d’une force, ou
- augmenter la distance ou la vitesse d’une force.
Les machines simples sont des dispositifs sans pièces mobiles, ou avec très peu de pièces mobiles, qui facilitent le travail. De nombreux outils complexes d’aujourd’hui ne sont que des combinaisons ou des formes plus compliquées des six machines simples, selon l’Université du Colorado à Boulder. Par exemple, nous pouvons attacher une longue poignée à un arbre pour fabriquer un guindeau, ou utiliser une poulie et un palan pour tirer une charge sur une rampe. Bien que ces machines puissent sembler simples, elles continuent à nous fournir les moyens de faire de nombreuses choses que nous ne pourrions jamais faire sans elles.
Roue et essieu
La roue est considérée comme l’une des inventions les plus importantes de l’histoire du monde. « Avant l’invention de la roue en 3500 avant Jésus-Christ, les humains étaient sévèrement limités dans la quantité de choses que nous pouvions transporter sur terre, et jusqu’où », a écrit Natalie Wolchover dans l’article de Live Science « Top 10 des inventions qui ont changé le monde ». « Les charrettes à roues ont facilité l’agriculture et le commerce en permettant le transport des marchandises vers et depuis les marchés, ainsi que l’allègement du fardeau des personnes voyageant sur de grandes distances. »
La roue réduit considérablement la friction rencontrée lorsqu’un objet est déplacé sur une surface. « Si vous mettez votre armoire à dossiers sur un petit chariot avec des roues, vous pouvez réduire considérablement la force que vous devez appliquer pour déplacer l’armoire à une vitesse constante », selon l’Université du Tennessee.
Dans son livre « Ancient Science : Prehistory-A.D. 500 » (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels écrit : « Dans certaines parties du monde, les objets lourds tels que les rochers et les bateaux étaient déplacés à l’aide de rouleaux de bois. Lorsque l’objet avançait, les rouleaux étaient pris à l’arrière et replacés à l’avant. » C’était la première étape dans le développement de la roue.
La grande innovation, cependant, était dans le montage d’une roue sur un essieu. La roue pouvait être fixée à un essieu qui était supporté par un roulement, ou elle pouvait être faite pour tourner librement autour de l’essieu. C’est ainsi que sont nés les charrettes, les wagons et les chariots. Selon M. Samuels, les archéologues considèrent le développement d’une roue qui tourne sur un essieu comme un indicateur d’une civilisation relativement avancée. Les premières traces de roues sur essieux remontent à environ 3200 avant J.-C. chez les Sumériens. Les Chinois ont indépendamment inventé la roue en 2800 avant J.-C.
Multiplicateurs de force
En plus de réduire la friction, une roue et un essieu peuvent également servir de multiplicateur de force, selon Science Quest de Wiley. Si une roue est fixée à un essieu, et qu’une force est utilisée pour faire tourner la roue, la force de rotation, ou couple, sur l’essieu est beaucoup plus grande que la force appliquée à la jante de la roue. Alternativement, une longue poignée peut être attachée à l’essieu pour obtenir un effet similaire.
Les cinq autres machines aident toutes les humains à augmenter et/ou rediriger la force appliquée à un objet. Dans leur livre « Moving Big Things » (It’s about time, 2009), Janet L. Kolodner et ses co-auteurs écrivent : « Les machines fournissent un avantage mécanique pour aider à déplacer des objets. L’avantage mécanique est le compromis entre la force et la distance. » Dans la discussion suivante sur les machines simples qui augmentent la force appliquée à leur entrée, nous négligerons la force de friction, car dans la plupart de ces cas, la force de friction est très faible par rapport aux forces d’entrée et de sortie impliquées.
Lorsqu’une force est appliquée sur une distance, elle produit un travail. Mathématiquement, cela s’exprime par W = F × D. Par exemple, pour soulever un objet, nous devons effectuer un travail pour surmonter la force due à la gravité et déplacer l’objet vers le haut. Pour soulever un objet deux fois plus lourd, il faut deux fois plus de travail pour le soulever sur la même distance. Il faut également deux fois plus de travail pour soulever le même objet deux fois plus loin. Comme l’indiquent les mathématiques, le principal avantage des machines est qu’elles nous permettent d’effectuer la même quantité de travail en appliquant une plus petite quantité de force sur une plus grande distance.
Levier
« Donnez-moi un levier et un endroit où me tenir, et je déplacerai le monde. » Cette affirmation vantarde est attribuée au philosophe, mathématicien et inventeur grec du troisième siècle, Archimède. Bien qu’elle soit peut-être un peu exagérée, elle exprime le pouvoir du levier, qui, au moins au sens figuré, fait bouger le monde.
Le génie d’Archimède a été de réaliser que pour accomplir la même quantité ou le même travail, on pouvait faire un compromis entre la force et la distance en utilisant un levier. Sa loi du levier stipule que « les magnitudes sont en équilibre à des distances réciproquement proportionnelles à leurs poids », selon « Archimède au 21e siècle », un livre virtuel de Chris Rorres de l’Université de New York.
Le levier se compose d’une longue poutre et d’un point d’appui, ou pivot. L’avantage mécanique du levier dépend du rapport des longueurs de la poutre de chaque côté du point d’appui.
Par exemple, disons que nous voulons soulever un poids de 100 livres (45 kilogrammes) à 2 pieds (61 centimètres) du sol. Nous pouvons exercer une force de 100 livres sur le poids dans la direction ascendante sur une distance de 2 pieds , et nous avons fait 200 livres-pieds (271 Newton-mètres) de travail. Cependant, si nous devions utiliser un levier de 9 m dont une extrémité se trouve sous le poids et un point d’appui de 30,5 cm placé sous la poutre à 3 m du poids, il nous suffirait de pousser l’autre extrémité avec 23 kg pour soulever le poids. (23 kg) de force pour soulever le poids. Cependant, nous devrions pousser l’extrémité du levier vers le bas, à 1,2 m, pour soulever le poids de 2 pieds. Nous avons fait un compromis dans lequel nous avons doublé la distance à parcourir pour déplacer le levier, mais nous avons diminué de moitié la force nécessaire pour faire la même quantité de travail.
Plan incliné
Le plan incliné est simplement une surface plane élevée à un angle, comme une rampe. Selon Bob Williams, professeur au département de génie mécanique du Russ College of Engineering and Technology de l’Université de l’Ohio, le plan incliné est un moyen de soulever une charge qui serait trop lourde pour être soulevée directement. L’angle (la pente du plan incliné) détermine l’effort nécessaire pour soulever le poids. Plus la rampe est raide, plus l’effort requis est important. Cela signifie que si nous soulevons notre poids de 100 livres de deux pieds en le faisant rouler sur une rampe de quatre pieds, nous réduisons la force nécessaire de moitié tout en doublant la distance à parcourir. Si nous devions utiliser une rampe de 8 pieds (2,4 m), nous pourrions réduire la force nécessaire à seulement 25 lbs. (11,3 kg).
Poulie
Si nous voulons soulever ce même poids de 100 livres avec une corde, nous pourrions attacher une poulie à une poutre au-dessus du poids. Cela nous permettrait de tirer vers le bas plutôt que vers le haut sur la corde, mais cela nécessite toujours 100 livres de force. Cependant, si nous utilisions deux poulies – l’une fixée à la poutre et l’autre au poids – et que nous attachions une extrémité de la corde à la poutre, que nous la fassions passer par la poulie du poids, puis par la poulie de la poutre, nous n’aurions à tirer sur la corde qu’avec 50 livres de force pour soulever le poids, bien que nous devions tirer la corde sur 4 pieds pour soulever le poids sur 2 pieds. Encore une fois, nous avons échangé une distance accrue contre une force réduite.
Si nous voulons utiliser encore moins de force sur une distance encore plus grande, nous pouvons utiliser une poulie et un palan. Selon le matériel de cours de l’Université de Caroline du Sud, « un bloc et un palan sont une combinaison de poulies qui réduisent la quantité de force nécessaire pour soulever quelque chose. La contrepartie est qu’une plus grande longueur de corde est nécessaire pour qu’un bloc et un palan déplacent quelque chose sur la même distance. »
Aussi simples que soient les poulies, elles trouvent encore leur utilité dans les nouvelles machines les plus avancées. Par exemple, la Hangprinter, une imprimante 3D qui peut construire des objets de la taille d’un meuble, utilise un système de fils et de poulies contrôlés par ordinateur ancrés aux murs, au sol et au plafond.
Vis
« Une vis est essentiellement un long plan incliné enroulé autour d’un arbre, de sorte que son avantage mécanique peut être approché de la même manière que l’inclinaison », selon HyperPhysics, un site Web produit par l’Université d’État de Géorgie. De nombreux dispositifs utilisent des vis pour exercer une force bien supérieure à la force utilisée pour tourner la vis. Ces dispositifs comprennent les étaux d’établi et les écrous de roue des automobiles. Ils tirent un avantage mécanique non seulement de la vis elle-même mais aussi, dans de nombreux cas, de l’effet de levier d’une longue poignée utilisée pour tourner la vis.
Coin
Selon l’Institut des mines et de la technologie du Nouveau-Mexique, « les coins sont des plans inclinés mobiles qui sont entraînés sous des charges pour les soulever, ou dans une charge pour la fendre ou la séparer. » Un coin plus long et plus fin donne plus d’avantage mécanique qu’un coin plus court et plus large, mais un coin fait autre chose : la fonction principale d’un coin est de changer la direction de la force d’entrée. Par exemple, si nous voulons fendre une bûche, nous pouvons enfoncer un coin vers le bas dans l’extrémité de la bûche avec une grande force à l’aide d’une masse, et le coin redirigera cette force vers l’extérieur, provoquant la fente du bois. Un autre exemple est un butoir de porte, où la force utilisée pour le pousser sous le bord de la porte est transférée vers le bas, ce qui entraîne une force de friction qui résiste au glissement sur le sol.
Rapports supplémentaires de Charles Q. Choi, collaborateur de Live Science
Ressources supplémentaires
- John H. Lienhard, professeur émérite de génie mécanique et d’histoire à l’Université de Houston, jette « un autre regard sur l’invention de la roue. »
- Le Centre des sciences et de l’industrie de Columbus, dans l’Ohio, propose une explication interactive des machines simples.
- HyperPhysics, un site Web produit par l’Université d’État de Géorgie, propose des explications illustrées des six machines simples.
Retrouvez des activités amusantes impliquant des machines simples au Musée des sciences et de l’industrie de Chicago.