Une poulie ne consomme ni carburant ni électricité et ne fonctionne pas seule, mais reste une machine. Pas une machine au sens où le mot est défini par le dictionnaire Merriam-Webster, mais une façon au sens où les ingénieurs définissent le mot: "Les machines simples sont des dispositifs qui peuvent être utilisés pour multiplier ou augmenter une force que nous appliquons - souvent au détriment d'une distance à travers laquelle nous appliquons la force ".
credit: gaspr13 / iStock / GettyImagesQuel est le poids d'une poulie?Chaque machine a un avantage mécanique
La liste des machines simples comprend des articles que les gens utilisent tous les jours, tels que marteaux, tournevis et poignées de porte. Tous ces outils entrent dans l’une des six catégories classiques de machines simples. Les catégories sont:
- Roue et l'essieu
- Poulie
- Levier
- Plan incliné
- Vis
- Coin
Certains scientifiques considèrent la vis et le coin comme des types spéciaux de plans inclinés, ce qui réduit la liste à quatre entrées. Vous pouvez même considérer la poulie comme un cas particulier de roue et d’axe et réduire la liste à trois articles. Quel que soit le nombre d'éléments figurant sur la liste, une poulie est considérée comme une machine.
Le rapport entre la force de sortie d’une machine et la force que vous lui appliquez est connu sous le nom de machine. avantage mécanique (MA). Pour qu'une machine soit une machine, la force de sortie doit être supérieure à la force d'entrée, ce qui signifie que l'avantage mécanique doit toujours être supérieur à 1. Plus l'avantage mécanique est grand, moins la force à entrer dans la machine pour la produire travail.
L'avantage mécanique d'un système de poulie
Vous pouvez calculer l’avantage mécanique d’un système à poulies en calculant la force requise pour soulever une charge à une certaine hauteur sans poulie (la force de sortie, FO) puis en calculant la force nécessaire pour le faire avec la poulie (force d'entrée Fje). L'avantage mécanique est le rapport entre la force de sortie et la force d'entrée: MA = FO/ Fje. Plus la force d'entrée est faible par rapport à la force de sortie, plus l'avantage mécanique est grand.
Pour un système de poulie simple, le calcul de son avantage mécanique est ridiculement facile. Vous comptez simplement le nombre de cordes qui supportent la charge.
Une fois que vous connaissez l'avantage mécanique, vous pouvez calculer la force nécessaire pour soulever un poids connu. La force et le poids signifient la même chose, donc en calculant l'avantage mécanique, vous serez capable de comprendre la réduction de charge de la poulie.
Pour obtenir un avantage mécanique, vous devez tirer plus de corde
"Attends", dites-vous. "Comment savez-vous que l'avantage mécanique est égal au nombre de cordes?" Pour répondre à cette question, vous devez savoir quoi travail est, et pas le genre de travail que vous faites à votre travail de 9 à 5.
En ce qui concerne les physiciens, vous travaillez (W) en appliquant une force (F) sur une distance (d). Vous calculez le travail en multipliant la force par la distance:
W = F • d.
Le travail est lié à l’énergie et, l’une des lois les plus fondamentales de la nature étant que l’énergie soit toujours conservée, le travail doit être préservé. Si la force appliquée à un système de poulie est inférieure à la force nécessaire pour soulever la charge, il faut que quelque chose change pour que la quantité de travail que vous effectuez corresponde à la quantité de travail nécessaire pour soulever la charge.
La quantité qui change est la distance. Vous utilisez moins de force pour soulever une charge lorsque vous utilisez un système de poulie, mais vous devez tirer plus de corde pour soulever la charge à une hauteur donnée. Si vous avez un système à double poulie, vous devez tirer deux fois plus de corde. dans un système à trois poulies, il faut tirer trois fois plus, et ainsi de suite. En fait, pour tout système de poulie, vous pouvez calculer la quantité de corde supplémentaire que vous devez tirer en comptant le nombre de cordes supportant la charge.
Réduction du poids, de la force et de la charge de la poulie
Le poids et la force ne sont pas des quantités différentes. Le poids d'un objet n'est rien d'autre que la force exercée par la gravité, de sorte que lorsque vous soulevez un objet, vous devez exercer une force égale à la force de gravitation. Si vous avez un système à une seule poulie, la poulie vous permet de tirer sur la corde plutôt que vers le haut, ce qui est certainement plus facile, mais le force que vous exercez est toujours égal à la poids de la charge vous soulevez.
Si vous ajoutez une poulie en dessous de la première, enroulez le câble autour des deux poulies et suspendez une charge à la seconde poulie. La charge est maintenant supportée par deux câbles. L’avantage mécanique de ce nouveau système de poulie amélioré est donc 2, ce qui signifie que vous n’avez qu’à exercer une force égale à la moitié du poids de la charge pour le soulever. Suspendez une troisième poulie à partir de la première, passez la corde à travers pour que trois cordes suspendent la charge, et que la force que vous devez exercer pour soulever la charge ne représente qu'un tiers de son poids.
Vous pouvez dire, en général, que la réduction de charge de poulie est l'inverse du nombre de câbles supportant la charge, mais peu de systèmes de poulies pratiques ont plus de quatre cordes. Par conséquent, la réduction maximale de la charge de la poulie que vous pouvez réaliser correspond au quart du poids de la charge. En réalité, la réduction de charge réelle est légèrement inférieure à cette valeur car il faut tenir compte des frictions dans les poulies.
Un exemple de calculateur de poids de poulie
Supposons que vous puissiez soulever vous-même une personne de 200 livres, mais c'est la limite de vos capacités d'haltérophilie. Pourriez-vous concevoir un système de poulie pour soulever une automobile de 2 000 livres? Probablement pas parce que même un système à quatre poulies ne réduirait le poids que d'un quart, ce qui représente toujours 500 livres.
Supposons que vous puissiez installer deux systèmes de poulies et demander à un ami, qui est aussi fort que vous, d’en tirer une. Vous auriez toujours des problèmes, mais vous pourriez peut-être le faire, car chaque poulie soulèverait la moitié du poids, soit 1 000 livres, et un quart de ce poids serait de 250 livres. Si vous ajoutiez une troisième poulie et une troisième personne au travail, chaque personne n'aurait à exercer que 167 livres de force, ce qui est tout à fait à sa portée, de sorte que ce système fonctionnerait facilement.
Une calculatrice de poids à poulie ne dépend pas du poids qui sera soulevé en premier lorsque la corde est tirée, car si une personne tire avant les deux autres, la voiture ne bouge pas. Les trois personnes doivent tirer simultanément pour bien répartir la charge et répartir le poids uniformément entre les trois poulies. Lorsque les trois personnes travaillent simultanément, il y a en fait 12 cordes supportant la voiture, ce qui constitue l'avantage mécanique du système de poulies 12 et réduit la force nette requise pour soulever le véhicule à 2 000 × 12 = 167 livres.
