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Hydraulique 101

Andres Onu
Lisibilité
7.99

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

L’hydraulique fait fonctionner de nombreuses grosses machines autour de toi.

Tu passes devant un chantier de construction et tu vois de la machinerie lourde en action. Les moteurs ronflent. Tout à coup, tu entends un gros bruit. Les machines soulèvent des tonnes de terre et d’acier. Comment ces machines peuvent-elles faire ça aussi facilement? Grâce à la force hydraulique.

Grues de chantier utilisant l’énergie hydraulique
<p>Grues de chantier utilisant l&rsquo;&eacute;nergie hydraulique (Source : <a href="https://www.istockphoto.com/ca/portfolio/baphotte?mediatype=photography">baphotte</a> via <a href="https://www.istockphoto.com/ca/photo/construction-site-gm884011802-245825198">iStockphoto</a>).</p>

L’hydraulique permet aux machines de transmettre de la force d’un point à un autre en utilisant un fluide qui n’est pas compressible. Dans la plupart des cas, cela augmente aussi la force appliquée à une extrémité pour un effort donné.

L’hydraulique fonctionne d’après le même principe qu’un levier mécanique, une machine simple qui fonctionne comme une bascule. Quand on pousse sur un bout d’un levier pour le faire baisser, l’autre bout monte. Si le levier est bien conçu, une machine peut soulever un objet très lourd sans grand effort. Ceci est particulièrement vrai lorsque le point d’appui du levier se trouve près de la charge à soulever.  

Si le point d’appui d’un levier est près de la charge, même une petite force peut soulever une grande masse.
Si le point d’appui d’un levier est près de la charge, même une petite force peut soulever une grande masse. (Source : CR [CC BY-SA 3.0] via <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Palanca-ejemplo.jpg">Wikimedia Commons</a>).

 

Cependant, un vérin hydraulique possède de gros avantages par rapport à un levier mécanique. Voici comment fonctionne un vérin hydraulique.

Comment fonctionne un vérin hydraulique?

Dans un dispositif hydraulique, un tuyau flexible ou rigide relie un cylindre de petit diamètre à un cylindre de gros diamètre. Le fluide incompressible se trouve à l’intérieur du tuyau. En appliquant une force au petit cylindre, une force beaucoup plus grande est appliquée au gros cylindre. La force, dans ce cas-ci, est multipliée par un montant égal à la différence dans la surface du cylindre.

Lorsqu’un cylindre d’un diamètre A1 applique une force de F1, il parcourt une distance de d1. Le cylindre qui lui est relié avec un diamètre de A2 exercera une force de F2 et parcourra une distance de d2
Un vérin hydraulique (© 2020 Parlons sciences).

 

Lorsqu’un cylindre d’un diamètre A1 applique une force de F1, il parcourt une distance de d1. Le cylindre qui lui est relié avec un diamètre de A2 exercera une force de F2 et parcourra une distance de d2.

Comme la force est plus grande, le gros cylindre parcourt une plus petite distance. Rappelle-toi que le travail est égal à la force appliquée multipliée par la distance parcourue (T = fd).

L’installation d’un système hydraulique peut permettre aux machines de faire des choses extraordinaires. Tu peux relier deux cylindres avec un tuyau flexible ou rigide sur une longue distance. Cela te permet de placer le premier cylindre dans une pièce, et le deuxième, dans une autre partie d’un bâtiment, et de transmettre facilement la force le long des coins ou à travers des murs. 

L’hydraulique est souvent utilisée pour les pièces mobiles de systèmes mécaniques qui doivent lever ou pousser des objets lourds. Le train d’atterrissage d’un avion utilise plusieurs vérins hydrauliques pour mettre les roues en place et amortir l’atterrissage de l’avion. 

Cette vidéo (2:09 min) montre le train d’atterrissage d’un jet commercial A350 qui fait l’objet d’un essai. Peux-tu voir où sont les vérins hydrauliques? Source : Leaderlive

Qu’est-ce qu’une unité hydraulique?

Dans les systèmes hydrauliques simples, le petit cylindre doit parcourir une distance beaucoup plus grande que le gros cylindre. Cela veut dire que le petit cylindre est limité dans la distance qu’il peut pousser ou tirer. Pour rendre un système hydraulique encore plus puissant, on peut remplacer le petit cylindre par une pompe. Cela crée quelque chose qui fonctionne comme le petit cylindre, mais la « distance de déplacement » devient infinie. La pompe continue de faire sortir le fluide d’un réservoir et pousse le gros cylindre jusqu’à ce que le réservoir soit vide. Ces unités hydrauliques sont installées sur des engins de chantier et des appareils de levage lourds. La plupart des gros avions ont des unités hydrauliques pour faire bouger les volets et les gouvernails de direction. Une seule unité hydraulique peut alimenter des douzaines de cylindres; elle est limitée seulement par la puissance de la pompe et la capacité du réservoir.

Qu’est-ce qu’un fluide hydraulique?

Le choix du fluide à l’intérieur du système hydraulique est très important car il doit soutenir d’énormes pressions, dans l’ordre des milliers de psi (livres par pouce carré).

Le savais-tu? 

L’unité de pression basée sur le SI (système international d’unités) est le pascal (Pa). 1 psi = 6 894,76 Pa.

Les huiles hydrauliques sont spécialement formulées pour fonctionner uniformément selon un vaste éventail de pression et de température. De plus, les gaz ne se dissolvent pas en elles. Ceci est important parce que les gaz dissous forment des bulles sous certaines conditions, ce qui peut créer des problèmes. 

Le savais-tu? 

Les systèmes hydrauliques et pneumatiques sont semblables. Les systèmes hydrauliques utilisent des fluides sous pression, tandis que les systèmes pneumatiques utilisent des gaz. Chaque système a ses avantages et ses inconvénients.

L’hydraulique cachée

Les composants hydrauliques sont souvent cachés sur les machines. Les voitures utilisent l’hydraulique pour arrêter quatre tonnes d’acier avec une légère pression du pied (à l’aide des servofreins). Les entreprises de fabrication et d’expédition utilisent des robots qui peuvent soulever et déplacer des caisses et d’autres pièces à l’aide de bras hydrauliques. 

How to Make Lift Car from Cardboard Hydraulic Powered Robotic (2018) de M. Green (3:25) *Sans son

Il y a de l’hydraulique partout autour de toi! La prochaine fois que tu remarqueras qu’un travail énorme est facilement accompli, vois si tu peux repérer les systèmes hydrauliques. 

Le savais-tu? 

Le moteur d’un avion peut avoir besoin d’autant de puissance que deux ou trois voitures pour démarrer son système hydraulique en raison de la pression élevée nécessaire.

 

Points de départ

Connecter et Relier

  • Combien de machines utilisant l’hydraulique peux-tu nommer? Énumère-les.
  • As-tu déjà vu une machine hydraulique en fonctionnement? Qu’est-ce que c’était et quelle tâche faisait-elle?
  • Si tu peux conduire, as-tu déjà conduit un véhicule sans servodirection? La voiture que tes parents ou toi conduisez a-t-elle une servodirection? Quelle est la différence entre conduire une voiture avec ou sans servodirection?

Connecter et Relier

  • Combien de machines utilisant l’hydraulique peux-tu nommer? Énumère-les.
  • As-tu déjà vu une machine hydraulique en fonctionnement? Qu’est-ce que c’était et quelle tâche faisait-elle?
  • Si tu peux conduire, as-tu déjà conduit un véhicule sans servodirection? La voiture que tes parents ou toi conduisez a-t-elle une servodirection? Quelle est la différence entre conduire une voiture avec ou sans servodirection?

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • La servodirection est une technologie basée sur l’application de connaissances scientifiques précises. Explique comment la science, la technologie et la société sont interreliées en utilisant la servodirection comme exemple. 
  • Une seringue est un dispositif hydraulique. Explique comment fonctionne une seringue. 

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • La servodirection est une technologie basée sur l’application de connaissances scientifiques précises. Explique comment la science, la technologie et la société sont interreliées en utilisant la servodirection comme exemple. 
  • Une seringue est un dispositif hydraulique. Explique comment fonctionne une seringue. 

Explorer les Concepts

  • Quels sont les avantages des systèmes hydrauliques? Quels sont les inconvénients?
  • Fais une recherche sur les fluides hydrauliques et la façon dont ils sont fabriqués. 
  • Étudie l’application de l’hydraulique dans le fonctionnement de différents types de machine, d’équipement ou de véhicule. 

Explorer les Concepts

  • Quels sont les avantages des systèmes hydrauliques? Quels sont les inconvénients?
  • Fais une recherche sur les fluides hydrauliques et la façon dont ils sont fabriqués. 
  • Étudie l’application de l’hydraulique dans le fonctionnement de différents types de machine, d’équipement ou de véhicule. 

Suggestions d'enseignement

  • Cet article pourrait être utilisé pour introduire le sujet de l’hydraulique et fournir des exemples de technologies qui ont été développées au moyen des principes de l’hydraulique.
  •  Après avoir lu l’article, les élèves pourraient faire un tournoi des idées principales. Les élèves résument d’abord les idées principales de l’article, puis forment des groupes de deux et finalement des groupes de quatre pour déterminer l’idée maîtresse de l’article. La fiche reproductible prête à l’emploi de cette stratégie d’apprentissage est disponible dans les formats [Document Google] et [PDF].
  • Les élèves pourraient débattre des pour et des contre de l’utilisation de l’énergie hydraulique par rapport à l’énergie mécanique à l’aide d’un organisateur du pour et du contre. La fiche reproductible prête à l’emploi de cette stratégie d’apprentissage est disponible en formats [Document Google] et [PDF].

Suggestions d'enseignement

  • Cet article pourrait être utilisé pour introduire le sujet de l’hydraulique et fournir des exemples de technologies qui ont été développées au moyen des principes de l’hydraulique.
  •  Après avoir lu l’article, les élèves pourraient faire un tournoi des idées principales. Les élèves résument d’abord les idées principales de l’article, puis forment des groupes de deux et finalement des groupes de quatre pour déterminer l’idée maîtresse de l’article. La fiche reproductible prête à l’emploi de cette stratégie d’apprentissage est disponible dans les formats [Document Google] et [PDF].
  • Les élèves pourraient débattre des pour et des contre de l’utilisation de l’énergie hydraulique par rapport à l’énergie mécanique à l’aide d’un organisateur du pour et du contre. La fiche reproductible prête à l’emploi de cette stratégie d’apprentissage est disponible en formats [Document Google] et [PDF].

En savoir plus

Dans les coulisses de la Tour Eiffel (2014) Les Echos -- Vidéo- reportage sur les ascenseurs hydrauliques conçus par Gustave Eiffel qui fonctionnent encore au coeur de la tour Eiffel. (3:37)

7 EXPÉRIENCES DANGEREUSES À LA PRESSE HYDRAULIQUE ! (2019) Experimentboy -- Experimentboy démontre la puissance destructrice de la presse hydraulique en détruisant plusieurs objets. (14:14)

Comment fabriquer un bras robot hydraulique avec du carton ? (2019) SAM LE SLIME -- Ce vidéo pour enfants explique le principe de la force hydraulique et leurs utilisations dans la vie quotidienne et explique comment fabriquer un bras robotique en carton qui sera contrôlé par des leviers spéciaux, fonctionnant tous sans électricité. (13:00)

Références

The Editors of Encyclopaedia Britannica. (2016). Hydraulic power

Hodanbosi, C. (1996). Pascal's principle and hydraulics. NASA.

Casey, B. (2009). Why hydraulic oil is different. Machinery Lubrication.

Cosford, J. (2014, mars 20). Hydraulics and pneumatics: The big battle. Mobile Hydraulic Tips.

Orwell, M. (n.d.). What is a hydraulic power pack? Sciencing.