Enfants sur une balançoire à bascule

Enfants sur une balançoire à bascule (axel2001, iStockphoto)

Machines simples – Les leviers

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7.55

Résumé

Le levier est un type de machine simple. Découvre les différentes catégories de leviers et les avantages mécaniques qu’ils procurent.

Les machines simples sont des dispositifs mécaniques qui facilitent le travail. On appelle machines complexes la combinaison de deux machines ou plus qui fonctionnent de concert. Ces machines créent des systèmes qui permettent de produire différents types de mouvements lorsqu’une force est exercée sur une charge. Grâce aux machines simples et complexes, il est possible d’effectuer facilement un travail en modifiant l’ampleur ou la direction de la force. Il existe six types de machines simples. Ce sont :

  • le levier
  • la roue à essieu
  • la poulie
  • le plan incliné
  • le coin
  • la vis

Examinons la première de ces machines simples : le levier. 

Attention aux idées fausses

Qu’est-ce qui te vient à l’esprit lorsque tu entends le mot « machine »? Quelque chose avec un moteur comme un chariot élévateur ou une machine à laver? Les machines n’ont pas nécessairement un moteur. En fait, une machine est un appareil qui transmet ou modifie la force.

Qu’est-ce qu’un levier?

Un levier est une machine simple composée d’une pièce rigide (généralement allongée) et d’un pivot. La force motrice (force d’entrée) et la charge (force de sortie) sont exercées à l’une ou l’autre des extrémités de la pièce rigide. Le pivot est le point d’appui autour duquel la pièce rigide pivote. Lorsqu’une force motrice est exercée à une extrémité du levier, une charge est appliquée à l’extrémité opposée. La masse est ainsi déplacée vers le haut. Le couple permet aux leviers de fonctionner. Le couple désigne la force requise pour amener un objet à tourner autour de son axe (ou point d’appui).

Qu’est-ce que l’avantage mécanique?

Un levier procure un avantage mécanique. L’avantage mécanique désigne le coefficient par lequel une machine simple multiplie une force appliquée. Le type de levier et l’avantage mécanique que procure une machine sont établis en fonction de l’emplacement de la force motrice, de la charge et du pivot. Plus la force motrice est éloignée du pivot, plus il est facile de déplacer la charge.

L’avantage mécanique peut être calculé au moyen de la formule suivante :

L’avantage mécanique correspond au rapport entre la force motrice et la charge de même qu’au rapport entre la distance de la force motrice au pivot et la distance de la charge au pivot
L’avantage mécanique correspond au rapport entre la force motrice et la charge de même qu’au rapport entre la distance de la force motrice au pivot et la distance de la charge au pivot (©2020 Parlons sciences).

Si la distance entre la force motrice et le pivot est supérieure à la distance entre la charge et le pivot, alors le levier dispose d’un avantage mécanique. Autrement dit, le rapport entre ces deux distances est supérieur à un. Cela signifie qu’une grande distance entre la force motrice et le pivot et qu’une courte distance entre la charge et le pivot permettent de bouger une lourde charge avec un petit effort!

Éléments de base d’un levier qui montrent l’emplacement de la pièce rigide, du pivot, de la force motrice et de la charge
Éléments de base d’un levier qui montrent l’emplacement de la pièce rigide, du pivot, de la force motrice et de la charge (©2020 Parlons sciences).

Leviers de première catégorie

Il existe trois types ou catégories de leviers.

Dans un levier de première catégorie (ou levier inter-appui), le pivot est situé entre la charge et la force motrice.

Dans un levier inter-appui, le pivot est situé entre la charge et la force motrice.
Dans un levier inter-appui, le pivot est situé entre la charge et la force motrice. Plus le pivot est près de la charge, moins l’effort exigé pour déplacer la charge est grand (©2020 Parlons sciences).

Si le pivot est près de la charge, alors moins l’effort exigé pour déplacer la charge sur une courte distance est grand. Si le pivot est près de la force motrice, alors plus l’effort exigé pour déplacer la charge sur une longue distance est important. Une balançoire à bascule, un cric d’automobile et un pied-de-biche sont tous des exemples de levier inter-appui. Ces leviers sont très utiles pour soulever des charges importantes sans grand effort.

First class levers include scissors (left), teeter-totters (centre) and crowbars (right)
Les leviers inter-appui incluent les ciseaux (à gauche), la balançoire à bascule (au centre) et le pied-de-biche (à droite) (Sources : Thamizhpparithi Maari [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons, Tiia Monto [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons et Pearson Scott Foresman [Public domain] via Wikimedia Commons).

Leviers de deuxième catégorie

Dans un levier de deuxième catégorie (ou levier inter-résistant), la charge est située entre la force motrice et le pivot.

Dans un levier inter-résistant, la charge est située entre le pivot et la force motrice.
Dans un levier inter-résistant, la charge est située entre le pivot et la force motrice. Lorsque le pivot est près de la charge, moins l’effort exigé pour déplacer la charge est grand (© 2019 Parlons sciences).

Si la charge est plus proche du pivot que de la force motrice, alors l’effort nécessaire pour bouger la charge sera moindre. Si la charge est plus proche de la force motrice que du pivot, alors un effort supérieur sera nécessaire pour bouger la charge. Une brouette, un ouvre-bouteille et un aviron sont des exemples de levier inter-résistant.

Second class levers are used in wheelbarrows (left), when going on tiptoes (centre) and when doing push-ups
Se servir d’une brouette (à gauche), marcher sur la pointe des pieds (au centre) et faire des pompes sont des exemples d’utilisation de levier inter-résistant (Sources : MarkusHagenlocher [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons, BruceBlaus [CC BY-SA 4.0] via Wikimedia Commons et U.S. Navy [Public domain] via Wikimedia Commons).

Leviers de troisième catégorie

Dans un levier de troisième catégorie (ou levier inter-moteur), la force motrice est située entre la charge et le pivot.

Dans un levier inter-moteur, la force motrice est située entre la charge et le pivot.
Dans un levier inter-moteur, la force motrice est située entre la charge et le pivot. Si le pivot est plus près de la charge, alors un effort moindre est nécessaire pour déplacer la charge (©2020 Parlons sciences).

Si le pivot est plus près de la charge, alors un effort moindre est nécessaire pour déplacer la charge. Si le pivot est près de la force motrice, alors la charge pourra être déplacée sur une plus grande distance. Utiliser une pince à épiler, frapper une balle avec un bâton de baseball, ou se servir de son bras pour soulever un objet sont des exemples d’utilisation de levier inter-moteur. Ce type de levier est utile pour réaliser des mouvements précis.

Examples of third class levers
Parmi les exemples de levier inter-moteur, on trouve frapper une balle avec une raquette de tennis (à gauche), utiliser une dégrafeuse (au centre), et soulever des objets en se servant de ses biceps (à droite) (Sources : Australian Paralympic Committee [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons, Frank C. Müller [CC BY-SA 4.0] via Wikimedia Commons et John Seb Barber [CC BY 2.0] via Wikimedia Commons).

Les leviers sont des machines simples fort utilisées pour transférer la force. Tu ne le réalises peut-être pas, mais tu utilises des leviers tous les jours!

 

Références

Afework, B., Hanania, J., Stenhouse, K., & Donev, J. (2018, mai 18). Lever. Energy Education.

Curley, R. (2017, juin 26). Simple machines. Encyclopaedia Britannica.

Jones, A. Z. (2019, juillet 20). How does a lever work and what can it do? ThoughtCo.

SoftSchools.com (2019). Levers.

Woodford, C. (2019, aout 5). Tools and simple machines. Explain That Stuff.