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Arrière-plan

Les machines simples sont importantes pour la vie quotidienne et peuvent être vues à la maison, à l’école ou sur la cour de récréation. Les machines simples sont des outils qui modifient la taille et/ou la direction de la force pour faciliter le travail. En utilisant des machines simples, les gens ordinaires peuvent soulever de grosses pierres, déplacer des blocs sur de grandes distances et même construire des pyramides.

Dans cette unité, les élèves seront initiés aux concepts physiques de la force et du travail, ainsi qu'à quatre types de machines simples : plan incliné, roue et essieu, levier et engrenages. Les élèves seront en mesure d'étudier comment la force peut être appliquée pour faciliter le travail avec 4 constructions mettant en vedette ces machines simples : un plan incliné, un levier d'équilibrage, une voiture à ressort et une horloge. Les étudiants auront également un aperçu des outils utilisés depuis l’Antiquité et encore utilisés aujourd’hui.

Construction d'un plan incliné VEX GO

Qu'est-ce qu'une machine simple ?

Une machine simple est un outil qui modifie la taille et la direction d'une force pour déplacer un objet. Les machines simples sont des appareils comportant peu ou pas de pièces mobiles qui facilitent le travail. Les machines simples existent depuis des milliers d’années et continuent d’être utiles. Dans cette unité, les élèves seront initiés à quatre types de machines simples : plan incliné, roue et essieu, levier, et engrenages.

Plan incliné Levier Roue & essieu Engrenage
Le plan incliné est une surface inclinée qui sert à élever ou à abaisser un objet. Une barre mobile fixée ou positionnée sur un point de pivot appelé point d'appui. Facilite le déplacement des objets en les faisant rouler, réduisant ainsi les frottements. Une roue avec des dents sur les bords, utilisée pour transférer, augmenter ou diminuer la force.
Dessin d'une personne poussant un grand objet rond sur une colline escarpée, avec une flèche pointant horizontalement vers la gauche en direction de l'objet, indiquant la direction de la force utilisée pour déplacer l'objet sur le plan incliné. Dessin d'une personne debout à côté d'une balance appuyant sur le côté gauche. Sur le côté droit se trouve une enclume. Une flèche pointant vers le bas à l'endroit où la personne appuie indique la direction de la force nécessaire pour équilibrer le levier de la balance. Dessin d'une roue ronde à l'extrémité d'un long axe en forme de goujon, avec des flèches s'enroulant autour de l'axe et de la roue, indiquant la direction du mouvement des deux. Deux engrenages bleus sont représentés côte à côte, avec une section des dents engrenées ensemble, indiquant comment la rotation d'un engrenage déplacera l'autre.

Qu'est-ce que la Force ?

La force est une poussée ou une traction sur un objet. Lorsqu’une force est appliquée à un objet, et que cette force n’est pas opposée, elle modifiera la vitesse ou la direction de l’objet. La force est utilisée pour déplacer les choses autour de nous. Nous travaillerons avec plusieurs formes de force dans cette unité, y compris la force appliquée, les forces équilibrées et déséquilibrées.

Force appliquée

Une force appliquée fait référence à une force appliquée à un objet. Si vous poussiez votre chaise à travers la pièce, vous exerceriez une force sur la chaise.

Il existe des forces équilibrées ainsi que des forces déséquilibrées. Les forces égales mais opposées en directions sont appelées forces équilibrées. Les forces équilibrées ne provoquent pas le déplacement d’un objet.

Un dessin comporte 3 grandes cases carrées au centre. À droite, un enfant pousse une boîte supplémentaire vers la pile. À droite, un enfant a une corde attachée à une poignée d’une des boîtes de la pile et tire la boîte.

Forces équilibrées et déséquilibrées

Les forces égales mais opposées en directions sont appelées forces équilibrées. Les forces équilibrées ne provoquent pas le déplacement d’un objet. Un exemple de force équilibrée serait celui de deux groupes de personnes jouant au tir à la corde avec la même quantité de force. Cela permettrait à la corde de rester en place puisque les forces opposées exercées des deux côtés sont équivalentes.

Dessin d'une équipe rouge de trois personnes à gauche et d'une équipe bleue de trois personnes à droite jouant à un jeu de tir à la corde, tirant sur une corde pour essayer de déplacer un côté au-delà de la ligne médiane.

Cependant, des forces déséquilibrées provoqueront le déplacement d’un ou de plusieurs objets. Supposons que l’une des équipes de notre jeu de tir à la corde tire plus fort que l’autre équipe, les forces ne seraient plus égales. Une équipe pourrait être capable d’attirer l’autre équipe vers la force la plus importante.

Les forces déséquilibrées provoquent un changement de mouvement de l’objet auquel la force est appliquée. Des machines simples telles que le plan incliné, utilisent une force déséquilibrée pour faciliter le travail. Par exemple, on sait que les objets accélèrent sur un plan incliné en raison d’un déséquilibre dans la force de gravité.

Force gravitationnelle

La force de gravité est la force avec laquelle la Terre, la Lune ou tout autre objet de très grande taille attire un autre objet vers lui. Par définition, c'est le poids de l'objet. Tous les objets sur terre subissent une force de gravité qui est dirigée « vers le bas » en direction du centre de la terre.

Au centre se trouve un dessin de la Terre, entourée de deux anneaux concentriques. En haut et en bas de l’image se tiennent deux enfants, un sur chaque poteau. Il y a quatre flèches rouges pointant vers la Terre depuis les quatre coins, indiquant la force de gravité.

Qu'est-ce que le travail ?

En sciences, le travail à l’utilisation de la force pour déplacer un objet à partir d’un point de départ fixe. Les machines simples facilitent le travail (déplacer des objets).

La définition scientifique du travail est la quantité de force appliquée à un objet multipliée par la distance parcourue par l'objet. Ainsi, le travail est constitué de force et de distance. Chaque tâche nécessite une quantité de travail spécifique pour être terminée, et ce nombre ne change pas. Ainsi, la force multipliée par la distance équivaut toujours à la même quantité de travail. Cela signifie que si vous déplacez quelque chose sur une petite distance, vous devez exercer une force plus grande. En revanche, si vous souhaitez exercer moins de force, vous devez le déplacer sur une plus grande distance. C'est le compromis entre force et distance.

Trois situations côte à côte sont présentées avec une voiture sur une rampe inclinée menant à une surface surélevée. À l’extrême gauche, la rampe est à 30 degrés et un marqueur d’angle vert entre la rampe et le sol indique le degré d’inclinaison. Au centre, la rampe est à 45 degrés, indiquée par le marqueur d'angle vert, et la voiture est à un angle plus raide. À l’extrême droite, la rampe est à 60 degrés, indiquée par un marqueur d’angle vert, et la voiture est à l’angle le plus raide.

Qu'est-ce que l'avantage mécanique ?

L'avantage mécanique est lorsque vous avez besoin de moins de force pour effectuer la même quantité de travail, car une machine simple est utilisée pour augmenter et changer la direction de la force appliquée. L’avantage mécanique peut être ajusté pour répondre à des besoins spécifiques. Il existe deux types d’avantages mécaniques : la vitesse et le couple.

Qu'est-ce que le couple ?

Le couple est un avantage mécanique qui rend la sortie d'un engrenage entraîné ou d'une machine plus puissante. Un couple est créé lorsqu'une force est utilisée pour démarrer ou arrêter la rotation d'un objet, comme lors de la rotation d'engrenages ou lors de la rotation partielle d'un levier. Regardez l'animation ci-dessous pour voir un engrenage plus petit entraîner un engrenage plus grand pour fonctionner pour un couple plus élevé.

Qu'est-ce que la vitesse ?

La vitesse est la distance parcourue par un objet au fil du temps et constitue un avantage mécanique qui rend la sortie de l'engrenage entraîné ou de la machine plus rapide. En ce qui concerne les engrenages, la vitesse est inversement proportionnelle au couple. Si la vitesse est souhaitée en sortie, le couple doit être diminué. L'inverse est également vrai : si davantage de couple ou de puissance est souhaité en sortie, la vitesse diminuera. Regardez l'animation ci-dessous pour voir un engrenage plus grand entraîner un engrenage plus petit pour fonctionner à une plus grande vitesse.

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