Comment fonctionne un pont roulant - Leviers, poulies, vérin hydraulique et avantage mécanique

Avez-vous déjà été émerveillé par la technologie moderne ? Bien qu'un grand nombre de technologies et de machines modernes soient en fait très compliquées, certaines d'entre elles sont en fait très sensées, une fois que l'on a fait abstraction des cloches et des sifflets.
La grue de construction, par exemple, est une telle machine. La grue n'utilise généralement que trois machines simples. Le levier, la poulie et le cylindre hydraulique.

Levier

Dans cet article, nous allons examiner brièvement un mécanisme très important dans la grue de construction : le levier. Trois articles ultérieurs étudieront le rôle de la poulie, du cylindre hydraulique et du concept d'avantage mécanique, respectivement, dans les grues de construction.

Alors, comment fonctionnent les ponts roulants ? Dans une mesure plus ou moins grande, la plupart des ponts roulants utilisent le levier pour soulever des charges exceptionnellement importantes. Presque toutes les grues portées et de nombreuses grues équilibrées maximisent la capacité de levage à l'aide du levier.

Ces grues utilisent des leviers, ou bras mécaniques, qui augmentent sa force. Bien qu'un système complexe de cordes, de chaînes et de poulies accompagne généralement le bras mécanique, le levier lui-même n'est qu'une simple machine.

Les anciens ont longtemps utilisé le levier en pratique pour construire de grands temples, monuments et fortifications. En fait, les spécialistes affirment que les Égyptiens ont très probablement utilisé des leviers pour construire les grandes pyramides.

Cependant, la plupart des historiens attribuent le développement de la théorie géométrique du levier à Archimède. Archimède, mathématicien et philosophe, vivait dans la Grèce antique aux alentours du troisième siècle avant J.-C. Il aurait dit un jour : "Donnez-moi un endroit où me tenir, et je déplacerai la Terre avec un levier".

Le levier lui-même est une barre stable qui repose sur un point de pivot, ou point d'appui. Vous pouvez appuyer sur une extrémité avec une certaine force d'"effort" pour produire une certaine force de "travail" à l'autre extrémité. La force de travail porte ou retient généralement l'objet à soulever.

Les scientifiques classent tous les leviers en trois groupes différents. Dans les leviers de classe 1, le point d'appui se situe entre la force d'effort et la force de travail, comme dans une bascule ou un pied de biche. Les leviers de classe 2 sont des leviers dans lesquels la force de travail se situe entre le point d'appui et la force d'effort, comme une brouette. Et dans les leviers de classe trois, la force d'effort est appliquée entre le point d'appui et la force de travail, comme dans une pince à épiler.

Mais, encore une fois, comment fonctionne un pont roulant ? Comme nous allons le voir avec la poulie et le cylindre hydraulique, le levier manipule un concept connu sous le nom de couple. Le couple mesure la distance sur laquelle une force est appliquée, ou le couple est égal à la force multipliée par la distance.

Comme Archimède l'a compris, la manipulation du couple permet d'obtenir des capacités de levage plus importantes. Prenons par exemple une simple balançoire à bascule sur un terrain de jeu. La balançoire mesure 3 mètres de long et pivote sur une barre située directement au centre du plateau de la balançoire. D'un côté, un enfant de 90 kilos est assis, et de l'autre côté, un enfant plus petit de 100 kilos est assis.

L'enfant le plus gros va certainement pousser son côté de la balançoire vers le sol, tandis que l'enfant le plus maigre la soulève. Pour l'enfant le plus petit, il faut appliquer une force supplémentaire de 30 kg pour simplement équilibrer la balançoire !

Mais que se passerait-il s'il avait des capacités magiques lui permettant d'étendre son côté de la balançoire de 5 pieds supplémentaires. Son côté de la balançoire de 3 mètres, associé à son poids de 100 livres, lui permettrait d'équilibrer la balançoire. Et, théoriquement, s'il étendait son côté à une longueur supérieure à 10 pieds, son côté ramperait lentement vers le sol, soulevant le gamin plus gros du sol.

Pourtant, encore une fois, comment fonctionnent les ponts roulants ? Le levier, en partie, manipule le couple permettant aux ponts roulants de soulever des charges très lourdes. Plus vous répartissez la force d'effort sur de grandes distances, moins la force d'"effort" sera nécessaire pour effectuer le levage. Les leviers n'aident pas seulement les enfants maigres, mais aussi des centaines d'ingénieurs, d'architectes et d'ouvriers du bâtiment qui soulèvent chaque jour des charges gigantesques !
Restez à l'écoute pour le prochain segment de notre série "Comment fonctionnent les ponts roulants ?", lorsque nous explorerons le rôle de la poulie. Nous passerons ensuite au cylindre hydraulique et au concept d'avantage mécanique.

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La manipulation du couple par la poulie

Dans mon dernier article, j'ai posé la question suivante : comment fonctionnent les ponts roulants ? Pour résoudre cette énigme, j'ai d'abord étudié le rôle important du levier dans les grues de construction. Aujourd'hui, nous allons voir que la manipulation du couple par la poulie, tout comme le levier, augmente la capacité d'un pont roulant à soulever de lourdes charges. Dans les articles suivants, nous explorerons les vérins hydrauliques et le concept d'avantage mécanique.

Comme pour le levier, les spécialistes attribuent à Archimède le premier développement théorique de la poulie. Selon Plutarque, un historien grec, Archimède a affirmé qu'il pourrait déplacer le monde s'il disposait d'un nombre suffisant de poulies, une affirmation très similaire à sa proposition de déplacer la Terre avec un levier. L'histoire se poursuit lorsque le roi Hiéron de Syracuse demande à Archimède de déplacer un grand navire de la marine de Hiéron. Au jour dit, Archimède installe son système de poulies, le roi charge le navire de passagers et de marchandises, puis Archimède, assis à distance, tire sur la corde. Le résultat ? Plutarque explique que le navire se déplaçait "aussi doucement et régulièrement que s'il avait été dans la mer".

Pour les anciens, il s'agissait d'une simple nouveauté, mais aujourd'hui, c'est une science de base. Pour l'expliquer grossièrement, les poulies répartissent le poids sur différents segments de corde pour faciliter le levage d'objets lourds. Imaginons que l'on ait un gros objet à soulever. Il se baisse et tente de le soulever avec sa propre force, mais il n'y parvient pas. Pour faciliter la tâche, il attache une poulie à la grande charge. Il attache ensuite une corde au plafond et la fait passer dans la poulie. Ensuite, il se soulève sur la corde, et enfin soulève l'objet. Il peut le faire parce que la corde au plafond fournit la moitié de la force nécessaire pour soulever l'objet tandis qu'il applique l'autre moitié.

Mais pourquoi cela se produit-il ? La poulie répartit le poids sur deux segments de corde, le côté de la corde allant du plafond à la poulie et l'autre côté de la corde allant de la poulie à l'élévateur. Cette répartition est une manipulation du couple, car le souleveur répartit la force sur une plus grande distance. Le plafond, croyez-le ou non, aide à soulever l'objet, en partie parce que nous tirons parti de la capacité de levage de la structure du plafond qui le maintient en l'air, ce qui permet au souleveur de ne faire que la moitié du travail. On peut continuer à faciliter le soulèvement en ajoutant plus de poulies et à différents endroits, mais les mathématiques deviennent un peu plus compliquées. Cependant, la règle générale est la suivante : plus il y a de poulies, plus il y a de puissance.

Différentes configurations de poulies permettent donc de faciliter le levage. Il existe trois types de configurations, ou types, de poulies. Une poulie fixe décrit un système de poulie où l'axe ou la roue est fixe, ou immobile. Le deuxième type est une poulie mobile, où l'axe ou la roue peut se déplacer librement. Enfin, le troisième type est une poulie combinée, dans laquelle des poulies fixes et mobiles sont utilisées. Les poulies fixes permettent une configuration plus facile, mais les poulies mobiles multiplient la force appliquée, ce qui facilite le travail. Différentes situations requièrent différents types de poulies, comme c'était le cas pour le levier.

Mais comment cela s'applique-t-il aux grues ? Presque toutes les grues utilisent des poulies, mais l'application la plus courante des poulies dans les grues est celle des potences. Les potences ont des câbles qui s'enroulent autour des poulies et de la charge. Plus vous enroulez les fils autour des deux, plus la capacité de levage est élevée.

Dans le prochain segment de Comment fonctionnent les grues ? ?je soulignerai l'importance du cylindre hydraulique, après quoi je conclurai par un article ultérieur et final sur le rôle de l'avantage mécanique.

Cylindre hydraulique et avantage mécanique

Nous abordons maintenant la troisième partie de notre série sur la science des grues de construction, dans laquelle nous examinerons le rôle du vérin hydraulique. Les deux premières parties ont brièvement décrit comment les leviers et les poulies, respectivement, contribuent à la force de levage des grues. L'article suivant et final examinera le principe scientifique peut-être le plus important pour maximiser la force de levage : l'avantage mécanique.

Qu'est-ce qu'un vérin hydraulique ? La réponse simple est un cylindre étanche, ou un prisme circulaire, entièrement rempli d'un certain type de liquide, normalement de l'huile, avec deux ouvertures pour deux pistons. Les pistons peuvent être reliés au cylindre selon différentes configurations.

Si nous supposons que les pistons sont de la même taille dans un vérin hydraulique et qu'il n'y a pas de frottement, lorsqu'un piston est pressé vers le bas, l'autre monte vers le haut avec une force, une vitesse et une distance égales. Ainsi, si l'on comprime un piston vers le bas sur deux centimètres, l'autre piston devrait s'enfoncer vers le haut sur deux centimètres.
L'avantage de ce système permet de rediriger facilement les forces. Un piston fixé horizontalement peut déplacer un autre piston fixé verticalement, alors que d'autres machines ne permettent pas une translation de direction aussi facile, comme nous l'avons vu avec les poulies et les leviers. Avec les leviers et les poulies, une force vers le bas entraînera une force vers le haut, et vice versa, et une force vers la droite entraînera une force vers la gauche, et vice versa. Le vérin hydraulique permet de transférer une force dans une direction vers n'importe quelle direction possible, vers le haut, le bas, l'avant, l'arrière, la droite ou la gauche.

D'autre part, le vérin hydraulique peut multiplier les forces en maximisant le couple, comme nous l'avons vu avec le levier et la poulie. Si un piston a une surface de 6 unités carrées, et qu'un autre piston a une surface de 2 unités carrées, alors la force poussant vers le bas le plus petit piston apparaîtra 3 fois plus grande sur le plus grand piston. Par exemple, si l'on pousse le piston de 2 unités carrées vers le bas avec une force de 500 livres, alors le piston de 6 unités carrées reçoit une poussée avec une force de 1500 livres. Cependant, la distance parcourue par le plus grand piston sera 3 fois inférieure à la distance parcourue par le plus petit piston pour créer une force de 1500 livres.

Tout comme le levier et la poulie, presque toutes les grues utilisent le cylindre hydraulique sous une forme ou une autre. La grue peut utiliser un vérin hydraulique pour soulever directement la charge, mais un vérin hydraulique peut être utilisé pour allonger un bras de grue ou déplacer une flèche ou une poutre qui porte le mécanisme de levage.

En conclusion, le vérin hydraulique ressemble beaucoup à la poulie et au levier pour son utilisation fréquente dans les grues et sa manipulation du couple. Toutefois, le vérin hydraulique se distingue par sa capacité à rediriger les forces sur différents plans. Cependant, tous les trois, le levier, la poulie et le cylindre hydraulique, maximisent collectivement l'avantage mécanique dans le levage de grands objets. Dans le prochain épisode, nous examinerons ce qu'est exactement l'avantage mécanique et comment il est appliqué aux grues.