À propos de cette expérience
Les ouvriers du bâtiment, les marins et les grutiers soulèvent de lourdes charges à l’aide de poulies. Une seule poulie fixe permet uniquement de tirer vers le bas plutôt que vers le haut, mais un palan répartit le poids entre plusieurs brins de corde, de sorte qu’une personne peut soulever une charge bien supérieure à son propre poids. Mais rien n’est gratuit : il faut tirer la corde sur une plus grande distance. Essaie six systèmes de poulies, compte les brins qui soutiennent la charge, lis la force de traction sur un dynamomètre et vérifie que le travail fourni n’est jamais inférieur au travail effectué sur la charge.
Objectifs pédagogiques
- Décris le rôle des poulies fixes et mobiles
- Détermine l’avantage mécanique d’un système de poulies en comptant les brins qui soutiennent la charge
- Montre qu’une force de traction plus faible signifie qu’il faut tirer sur une plus grande distance
- Calcule le travail fourni, le travail utile et le rendement
- Explique pourquoi le rendement des systèmes de poulies réels est inférieur à 100 %
Comment l’utiliser
- 1Commence avec la poulie fixe et une charge de 20 kg. Compare la force de traction au poids. À quoi sert la poulie ?
- 2Passe à la poulie mobile. Quelle est la force de traction maintenant, et dans quelle direction faut-il tirer ?
- 3Essaie avec 2, 3, 4 et 5 brins porteurs. Fais un tableau comparant le nombre de brins qui soutiennent la charge à l’effort fourni. Quelle est la règle ?
- 4Appuie sur « Tirer », tire sur la corde et observe les repères. Quelle partie de la corde se déplace le plus vite ?
- 5Élève la charge de 50 cm dans chaque système et compare la longueur de corde tirée au travail fourni et au travail utile.
- 6Ajoute des poulies de 2 kg et 5 % de frottement. Pourquoi le rendement diminue-t-il lorsque tu ajoutes des poulies ?
Le modèle
Hypothèses
- La corde est légère et ne s’étire pas ; en l’absence de frottement, la tension est donc la même sur toute sa longueur.
- Tous les brins porteurs sont verticaux, et la charge est soulevée lentement à vitesse constante : il n’y a donc pas d’accélération.
- Le poids des poulies mobiles est soulevé en même temps que la charge. Les poulies fixes sont suspendues au plafond et n’augmentent pas l’effort.
- Le frottement correspond à un pourcentage fixe de la tension perdue à chaque poulie sur laquelle passe la corde. C’est un modèle simple des roulements réels.
- Les poulies sont représentées côte à côte afin que chaque section de corde soit visible. Dans un palan réel, elles partagent le même axe.
À essayer en classe
- Q1Une charge de 60 kg est soulevée à l’aide de 4 brins de corde porteurs. Quel est l’effort idéal ? (g = 9,8 N/kg)
- Q2Pour soulever une charge de 2 m avec un système à 5 brins, quelle longueur de corde faut-il tirer ?
- Q3Un ouvrier tire avec une force de 150 N pour soulever une charge de 400 N à l’aide de 3 brins. Calculez l’avantage mécanique et le rendement.
- Q4Pourquoi une poulie fixe unique reste-t-elle utile même si elle ne procure aucun avantage mécanique ?
- Q5Un système de poulies peut-il réduire le travail nécessaire pour soulever une charge ? Expliquez.
Foire aux questions
Pourquoi l’extrémité libre ne compte-t-elle pas comme un brin porteur lorsqu’on tire vers le bas ?
L’extrémité libre qui sort d’une poulie fixe tire sur cette poulie, suspendue au plafond, et non sur la charge. Seules les sections de corde attachées au moufle mobile, ou l’extrémité que l’on tire vers le haut sur une poulie mobile, soutiennent la charge.
L’avantage mécanique est-il la même chose que le rapport des vitesses ?
Uniquement dans un système idéal. Le rapport des vitesses découle de la géométrie et vaut toujours n. L’avantage mécanique se mesure à partir des forces et est plus faible en présence de frottement ou de poulies lourdes.
Où utilise-t-on des poulies dans la vie courante ?
Les grues, les monte-charges et les ascenseurs, les voiliers, les mâts, les stores, les appareils de musculation et les systèmes de secours en escalade utilisent tous des poulies, souvent plusieurs à la fois.