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Fréquence et longueur d’onde

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Aperçu

Lorsqu’une force est appliquée à des objets d’une certaine manière, ceux-ci effectuent des rotations. Cette tendance des objets à effectuer des rotations sous l’influence d’une force est appelée couple. Le couple dépend de la force et de la distance existant entre l’axe de rotation de l’objet et l’endroit où la force entraînant la rotation est appliquée. La force en question étant un vecteur, même si son amplitude reste la même, elle varie en fonction de l’angle existant entre la direction d’application de la force et le levier. En particulier, si la force appliquée sur le levier est perpendiculaire à celui-ci, le couple est le plus puissant et il décroît jusqu’à zéro au fur et à mesure que la direction de la force s’aligne sur le levier. En somme, le couple représente la combinaison de l’amplitude de la force et de la distance nécessaire et la direction dans laquelle la force doit être appliquée pour provoquer une quantité donnée de rotation.

Vous le verrez dans l’illustration suivante. Ici, les forces indiquées par F2, F3 et F5 sont perpendiculaires à la ligne liant le point d’application de la force au centre de la barre. Ces forces produisent un couple maximal. Les forces marquées F1 et F4 ne sont pas perpendiculaires à la ligne qui relie le point d’application de la force et le centre de rotation, et par conséquent, le couple est réduit.

Lorsqu’on utilise une force pour exécuter une tâche spécifique consistant à faire tourner un objet, l’on aurait besoin d’une quantité donnée de couple. Étant donné que le couple qui en résulte est influencé par l’ampleur, la direction de la force ainsi que par la distance entre l’axe de rotation et le point d’application de la force, l’on peut manipuler soit la force, soit la distance pour atteindre une certaine quantité de couples. Les gens font usage de cette propriété depuis des milliers d’années.

Applications du couple

En général, il est plus facile d’augmenter la distance qui sépare l’objet du point où la force est appliquée que d’augmenter la force elle-même. Ainsi, lorsque l’homme ou l’animal n’a pas assez de puissance pour accomplir une tâche donnée qui implique une rotation, les gens ont augmenté la distance, souvent à l’aide des leviers et d’autres dispositifs, pour augmenter le couple. Par exemple, pour moudre de la farine au moulin ou pour soulever un pont lourd, les hommes ou les animaux faisaient tourner des dispositifs à longues poignées autour de leur axe, et augmentaient la puissance humaine ou animale grâce au coefficient, correspondant à l’augmentation de la distance existant entre l’axe de l’objet rotatif et le point d’application de la force.

Pédales de bicyclette

Les pédales de vélo fournissent un autre exemple de manipulation du couple. Plus nos pieds sont éloignés du centre de la roue du vélo, plus il est facile de la faire tourner au moyen des pédales. Nos jambes ont une longueur limitée, les pédales ne peuvent donc pas excéder une certaine longueur, même si elles facilitent quand même le déplacement du vélo. Certaines personnes, notamment dans les pays en développement où certaines technologies modernes ne sont pas gratuitement disponibles ou sont coûteuses, modifient les pédales, les roues ou des cadres entiers de bicyclette pour en faire des machines à commande manuelle. La fabrication d’un fauteuil roulant à commande manuelle à partir de pédales de vélo et de pièces de fauteuils roulants recyclées en est une illustration. En pareille circonstance, les pédales pourraient être légèrement rallongées pour favoriser un meilleur couple, quoique, selon la configuration, de telles extensions puissent rendre le fonctionnement du fauteuil roulant moins commode.

Les clés

L’on se sert également d’une clé pour augmenter le couple. La configuration d’une clé permet une bonne prise pour les écrous et les boulons, et elle possède une longue poignée servant à amplifier la force appliquée avec cette clé. Certains travaux ne nécessitent qu’une petite clé, cependant pour tourner un boulon qui est bien coincé, par exemple s’il est rouillé, il est préférable d’utiliser une clé ayant une plus longue poignée, étant donné qu’elle augmente le couple. Vous pouvez utiliser une pince si aucune clé n’est disponible. Leurs longues poignées créent le même effet que celles d’une clé, bien qu’ils puissent offrir moins de prise et peuvent endommager la tête d’un écrou ou d’un boulon.

Une clé est conçue de telle sorte que si l’on choisit la bonne taille, aucune force supplémentaire n’est requise pour sa prise. Toutefois, lorsqu’on se sert d’une pince, il faut y appliquer une force pour rapprocher ses deux poignées et saisir l’objet, en plus de la force requise pour faire tourner cet objet. Les clés sont donc plus efficaces en matière d’énergie pour de nombreuses applications. Toutefois, les pinces sont parfois préférables, car elles permettent de varier la taille de l’objet à saisir. L’on peut également l’utiliser plus facilement en angle. L’application d’une force à un angle peut diminuer le couple, toutefois elle est utile lorsqu’on éprouve des difficultés à atteindre l’objet en rotation.

Les outils de préhension en caoutchouc permettant d’ouvrir des bocaux bien fermés sont semblables à des clés. La poignée en caoutchouc n’est pas reliée au couple, elle permet tout simplement d’empêcher le glissem*nt de l’outil hors du couvercle. Toutefois, la poignée augmente le couple. Plus cette poignée est longue, plus notre force initiale est amplifiée.

Les volants d’inertie

Un volant d’inertie constitue un bon exemple de dispositif utilisant le couple pour produire de l’énergie, qui est ensuite stockée dans le volant pour être utilisée ultérieurement. Le couple augmente la vitesse de rotation de la roue et accroît l’énergie qu’elle a stockée. Lorsque l’énergie est nécessaire, l’on applique à nouveau un couple pour ralentir la rotation et libérer de l’énergie. Ces dispositifs sont utiles lorsque l’alimentation en énergie n’est pas continue : ils peuvent produire de l’énergie quand l’approvisionnement d’origine baisse. Le moteur d’un véhicule en est une bonne illustration. Dans le moteur, l’énergie dégagée par la combustion du carburant arrive par rafales, et le volant d’inertie la collecte et en assure une alimentation constante.

Dans certaines circonstances, c’est le phénomène contraire qui est nécessaire. Les volants d’inertie servent également à libérer une quantité d’énergie plus importante que celle que peut fournir la source d’origine. En pareille circonstance, l’énergie est stockée de façon progressive, puis libérée en rafale, le cas échéant.

Balançoires et leviers

Quand deux personnes s’assoient sur une balançoire, leur poids correspond à la force faisant bouger la balançoire du haut en bas, en pivotant partiellement autour de son centre. Les enfants qui ont le même poids peuvent aisément jouer sur la balançoire, s’ils s’assoient à peu près à la même distance du point d’appui. Ce n’est pas aussi simple pour les enfants dont le poids est sensiblement différent, car l’enfant le plus lourd ferait descendre la balançoire et monter l’enfant le plus léger. Dans cette circonstance, l’enfant le plus léger ne pourrait pas tirer la balançoire vers le bas. C’est dû au fait que l’enfant qui pèse le plus produit plus de couple. Pour y remédier, l’enfant qui pèse le plus pouvait équilibrer le couple avec l’enfant le plus léger en se rapprochant du centre de la balançoire. Par exemple, l’enfant le plus grand qui est trois fois plus lourd que le petit doit s’asseoir trois fois plus près du centre de la balançoire pour être en équilibre.

Les leviers opèrent sur un principe similaire : le couple joue un rôle en contribuant à la réduction de la quantité de force requise pour accomplir une tâche donnée. D’une manière générale, un levier représente un objet long, comme une planche ou une poignée, qui tourne autour d’un point nommé point d’appui. Une force s’applique au levier en un point précis, et elle est ensuite amplifiée ou minimisée, selon la construction du levier et les besoins de son utilisateur.

Nous distinguons trois types de leviers, en fonction de l’endroit où la force est appliquée, où la force de sortie est dirigée et de l’endroit où se trouve le point d’appui. Ils sont souvent nommés leviers de première, deuxième et troisième classe. Souvent, la force qui s’applique au levier ou la force d’entrée est désignée par effort, tandis que la force de sortie est souvent nommée résistance. Ce mot est choisi parce qu’en effet, la force de sortie oppose une résistance à l’effort. Par exemple, si vous tentez de soulever une charge en vous servant d’un levier, le poids de la charge résistera à la force d’entrée ou à l’effort, cependant si l’effort est assez fort, alors la force qui en résulte réalisera le travail requis. Nos propres corps, tout comme ceux d’autres animaux, obéissent également aux mêmes principes et actionnent certaines parties du corps comme les leviers, afin de minimiser l’énergie dont on a besoin pour accomplir certaines tâches, comme le démontrent les exemples ci-dessous.

Les leviers de première classe ont une construction semblable à celle des balançoires. Le point d’appui se trouve au milieu. L’effort se retrouve à une extrémité, tandis que la résistance se situe à l’autre. Le point d’appui des leviers de deuxième classe se situe à une extrémité du levier, l’effort s’applique à l’extrémité opposée, et la résistance est proche du point d'appui, dans le sens opposé à l’effort. La conception des leviers de troisième classe se situe à l’opposé de la construction des leviers de deuxième classe. Le point d’appui se trouve toujours à une extrémité du levier, mais l’effort constitue la force la plus proche, tandis que la résistance est la force à l’autre extrémité, agissant dans le sens opposé de l’effort.

Leviers de première classe

Certaines échelles, qui sont en équilibre au milieu, fonctionnent comme des leviers de première classe. Les ciseaux sont une combinaison de deux leviers de première classe ; ils nous servent à couper des matériaux épais que le couteau peine à couper, par exemple. La longueur des poignées nous permet de réduire l’amplitude de la force dont on a besoin pour réaliser la coupe. En revanche, le fait de poser l’objet à couper plus loin du point d’appui, qui est le point d’appui, complique la coupe.

Les ciseaux ou les cisailles, censés couper des matériaux plus épais et plus durs, tels que les branches ou la tôle, sont souvent munis des poignées plus longues pour augmenter le couple. Dans certaines circonstances, on ajoute un ressort à la conception pour lui conférer un avantage mécanique. Certains ciseaux spécialisés présentent des caractéristiques supplémentaires. Par exemple, les cisailles de traumatisme, censées couper les vêtements du corps d’une personne blessée, sont faites des lames à bords arrondis, afin de prévenir les blessures de la peau. D’autres ciseaux adaptés à la médecine peuvent avoir des bords arrondis ou tranchants, en fonction de l’usage prévu, et certains sont suffisamment petit* pour permettre au chirurgien de travailler avec des tissus délicats, en bénéficiant d’un avantage mécanique par rapport à d’autres outils de coupe, tels que les couteaux. Parfois même, les ciseaux sont utilisés en chirurgie oculaire, et peuvent être aussi petit* que 6 cm de long, avec des lames d’une longueur de 2 cm ou plus courtes.

Le pied-de-biche est un autre outil considéré comme un levier de première classe, quoiqu’il puisse également être utilisé comme un levier de deuxième ou de troisième classe. Il est souvent utilisé pour arracher les clous ou pour séparer deux éléments reliés entre eux. L’on peut également l’utiliser pour soulever des objets lourds, en particulier sur de faibles hauteurs. Un pied-de-biche est réputé pour être utilisé dans les cambriolages, même si les criminels créatifs pourraient utiliser n’importe quel instrument qui ferait l’affaire.

Dans notre propre corps, la mécanique qui provoque le mouvement d’une tête humaine, ainsi que les têtes de nombreux animaux, constitue un exemple de levier de première classe. La tête est en équilibre au niveau du cou, qui devient un point d’appui. Les muscles appliquent l’effort d’un côté de la tête, et la résistance est appliquée de l’autre. Lorsqu’on y applique une force suffisante, la tête s’incline dans la direction de la force de sortie, ou de la résistance.

Leviers de deuxième classe

Notre bouche tout comme les becs d’oiseaux, lorsqu’ils sont utilisés pour mâcher les aliments, sont des exemples de leviers de deuxième classe. Il en est de même pour les casse-noix. Les casse-noix peuvent être fabriqués en métal ou en bois, et de nos jours, ils sont souvent ornementaux. Dans certaines circonstances, ils sont uniquement utilisés à des fins décoratives, comme les casse-noix en bois conçus sous la forme de soldats, de rois et d’autres personnages, très prisés en Amérique du Nord pour être exposés en période de Noël, comme décorations saisonnières. Certains pensent que les casse-noix décoratifs en forme de figurines proviennent d’Allemagne, où ils sont encore perçus comme un artisanat local populaire. En Allemagne, dans les campagnes, ils sont souvent fabriqués pour être vendus aux touristes. De nos jours, on utilise plus fréquemment des motifs simples et fonctionnels pour casser les noix et les carapaces dures des homards et des crabes. Les pinces des homards et des crabes sont en réalité des leviers de deuxième classe également, qui fonctionnent sur le même principe que les casse-noix.

En matière de conception, un presse-ail est également similaire à ces instruments, et constitue un levier de deuxième classe. Tous les chefs cuisiniers ne s’accordent pas sur son utilisation, car certains estiment que le goût de l’ail pressé est inférieur, toutefois d’autres préfèrent l’ail pressé pour sa saveur plus intense et pour la facilité avec laquelle il est pressé.

Nos pieds, ainsi que les pattes de certains animaux, font également office de levier de deuxième classe. Le point d’appui est situé autour des orteils, et les muscles déploient un effort autour du talon. Notre poids fait office de résistance. Ce « levier » nous permet de trouver l’équilibre sur nos pieds, à lever ou abaisser notre corps.

Parmi les exemples de leviers de deuxième classe figurent les brouettes, les freins des véhicules et les portes. Il serait presque impossible d’ouvrir une porte en la poussant près du point d’appui, cependant nous pouvons facilement la faire pivoter, en appliquant une force sur le côté, à l’opposé des charnières. C’est pourquoi les poignées de porte sont fixées sur le côté opposé aux charnières. L’on peut élargir la porte lourde pour augmenter le couple et réduire la force nécessaire à son ouverture.

Les décapsuleurs font aussi office de leviers de deuxième classe, notamment les outils autonomes, et non ceux qui sont fixés à un mur ou à une autre surface. Certains décapsuleurs sont des instruments fixés aux couteaux de poche, et certains sont petit* et peuvent être portés sur un porte-clés. Un décapsuleur peut parfois servir de levier de première classe, si l’on le place autrement, appuie dessus au lieu de le tirer vers le haut.

Leviers de troisième classe

Nos bras fonctionnent comme des leviers de troisième classe lorsqu’ils sont utilisés pour soulever des objets lourds. Nos jambes produisent un phénomène similaire lorsque nous prenons appui sur le sol en marchant ou en courant. En pareil cas, les genoux et les coudes font office de pivots. Par ailleurs, lorsque nous « étendons » nos bras avec des outils, tels que des battes de base-ball ou des raquettes de tennis, nous créons ainsi des leviers supplémentaires de troisième classe. Nous appliquons l’effort près du point d’appui pour faire pivoter ces objets, et la force de résistance se situe à l’extrémité de la batte ou de la raquette, là où ils vont au contact avec la balle. De la même façon, une canne à pêche est également considérée comme un levier de troisième classe, car nous y appliquons la force pour la faire pivoter autour de la zone de préhension.

Un marteau constitue un autre exemple de levier de troisième classe, tout comme d’autres instruments similaires, notamment les pelles, les râteaux, les balais et les chasse-mouches. Les outils tels que les agrafeuses, les pinces et les brucelles sont également des leviers de troisième classe, cependant ils consistent en un double levier, l’un agissant vers l’autre.

Exemple concret

Examinons à présent un exemple d’utilisation d’un levier. Imaginez qu’une personne moyenne puisse généralement soulever une pierre de près de 20 kg. C’est fatigant, mais faisable, même pour quelqu’un qui n’est pas très fort. Toutefois, un jeune enfant ne serait pas susceptible de soulever une telle pierre. Néanmoins, si l’on utilise un pied-de-biche, qui est assez solide pour ne pas se casser, et suffisamment long, le poids peut être sensiblement réduit pour permettre même à un enfant de soulever cette pierre. Le célèbre Archimède a prétendu pouvoir déplacer la Terre s’il pouvait avoir un point d’appui qui soit suffisamment éloigné : cette affirmation est basée sur le même principe. Après avoir soulevé cette lourde pierre à l’aide de leviers de première classe, nous pouvons la poser sur un levier de deuxième classe, comme une brouette, et la transporter, en soulevant cette brouette avec les mains et les bras, qui sont des leviers de troisième classe.

Références

Cet article a été rédigé par Kateryna Yuri.

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Mécanique

La mécanique est la branche des sciences physiques qui étudie le comportement des corps physiques lorsqu’ils sont soumis à des forces ou des déplacements, et les effets qui s’en suivent sur leur environnement.

Convertisseur de couple

En physique, lecouple est fondamentalement défini comme une force de rotation ou de torsion. Un couple se produit lorsqu’une force est utilisée pour commencer à faire tourner un objet, ou pour arrêter la rotation de celui-ci. Encore appelé moment ou moment de force, le couple est la tendance d’une force à faire tourner un objet autour d’un axe de rotation ou d’un point d’appui sur lequel un levier tourne en faisant tourner cet objet. D’un point de vue mathématique, le couple correspond au produit de la force et de la distance entre le bras de levier, qui tend à produire une rotation. La magnitude de couple est fonction de la force appliquée, de la longueur du bras de levier qui relie l’axe ou la rotation du levier au point d’application de la force, et de l’angle qui existe entre la direction de cette force et le bras de levier.

Le couple correspond aux dimensions de la force multipliées par la distance. L’unité dérivée du SI pour le moment de force est le newton-mètre (symbole : N m) ou l’unité joule par radian. De plus, les unités anglaises telles que livres-force-pieds (lbf ft), pieds-livres-force, pouces-livres-force, onces-force-pouces (oz in) sont des unités d’usage courant. Parmi les autres unités de couple non SI figurent les mètres-kilogrammes-force. Pour l’ensemble de ces unités, le mot «force» est souvent abandonné.

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