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Équilibre du levier Guide

PhysiqueDébutantTemps de lecture: 3 min

Aperçu

Le levier est l'une des machines simples les plus anciennes utilisées par l'humanité. Cette expérience simule une balance à levier de laboratoire, vous aidant à découvrir les lois dynamiques régissant un levier en équilibre par la manipulation de poids. Vous découvrirez que l'équilibre dépend non seulement de la grandeur de la force mais aussi de la distance entre le point d'application de la force et le pivot.

Contexte

Le principe du levier fut l'une des premières lois physiques découvertes. Archimède (v. 287-212 av. J.-C.), un scientifique grec de l'Antiquité, a étudié systématiquement les conditions d'équilibre du levier et a fait la célèbre déclaration : « Donnez-moi un point d'appui, et je soulèverai le monde ! » Cela souligne la puissance d'un levier amplificateur de force : avec un bras de levier suffisamment long, même une petite force peut équilibrer un poids énorme. Archimède a non seulement clarifié le principe théoriquement mais l'a aussi mis en application : il aurait conçu des grues géantes et des catapultes pour défendre Syracuse contre la flotte romaine. Le principe du levier reste aujourd'hui un fondement de l'ingénierie mécanique et de la conception architecturale.

Concepts clés

Pivot / Point d'appui (O)

OO

Le point fixe autour duquel le levier tourne.

Force motrice (F1F_1) / Résistance (F2F_2)

FF

La force qui fait tourner le levier est la Force motrice ; la force qui s'oppose à la rotation est la Résistance (ou Charge).

Bras de levier (L)

LL

La distance perpendiculaire du pivot à la ligne d'action de la force. Lorsque le levier est horizontal, c'est simplement la distance du pivot au point de suspension.

Formules et dérivation

Condition d'équilibre du levier

F1L1=F2L2F_1 L_1 = F_2 L_2
Force motrice multipliée par Bras de force égale Résistance multipliée par Bras de résistance. Souvent appelé le « Principe des Moments ».

Moment de force (Couple)

M=F⋅LM = F \cdot L
Le produit de la force et du bras de levier est le Moment (ou Couple). L'essence de l'équilibre du levier est que la somme des moments dans le sens horaire et antihoraire est nulle.

Étapes de l'expérience

  1. 1

    Mise à niveau du levier

    Assurez-vous que le levier est équilibré horizontalement avant de suspendre des poids. Dans cette simulation, le levier commence dans un état équilibré.
  2. 2

    Expérience d'équilibre égal

    Suspendez 2 poids à une distance de 2 unités du pivot sur la gauche. Essayez de suspendre 2 poids à 2 unités sur la droite. Le levier revient-il à l'équilibre ?
  3. 3

    Expérience d'équilibre inégal

    Gardez le côté gauche tel quel (2 poids à 2 unités). Essayez de suspendre 4 poids à 1 unité sur la droite, ou 1 poids à 4 unités sur la droite. Calculez si « Force × Distance » est égal des deux côtés.
  4. 4

    Déduire la règle

    Changez le nombre et la position des poids plusieurs fois. Notez les valeurs lors de l'équilibre pour vérifier si F1L1=F2L2F_1 L_1 = F_2 L_2 est vrai.

Objectifs d'apprentissage

  • Comprendre les cinq éléments d'un levier : Pivot, Force motrice, Résistance, Bras de force, Bras de résistance
  • Maîtriser la condition quantitative d'équilibre : F1L1=F2L2F_1 L_1 = F_2 L_2
  • Reconnaître que le « Bras de levier » est la distance perpendiculaire, pas seulement la longueur le long de la barre
  • Distinguer et calculer pour les leviers de Classe 1, 2 et 3 (Gain de force, Gain de distance, etc.)

Applications réelles

  • Leviers à gain de force : Ouvre-bouteilles, coupe-ongles, arrache-clous (Bras de force > Bras de résistance, économise la force mais coûte de la distance)
  • Leviers à gain de distance : Pinces à épiler, baguettes, cannes à pêche, tondeuses (Bras de force < Bras de résistance, coûte de la force mais économise de la distance/mouvement)
  • Leviers à bras égaux : Balances à fléau, balançoires à bascule, poulies fixes (Bras de force = Bras de résistance)
  • Corps humain : Se mettre sur la pointe des pieds implique la plante du pied comme pivot (Classe 2, gain de force) ; soulever un objet avec l'avant-bras implique le coude comme pivot (Classe 3, gain de distance)

Idées reçues

Erreur
Le bras de levier est la longueur de la ligne reliant le pivot au point de force
Correct
Incorrect. Cela n'est vrai que si la force est perpendiculaire au levier. Le bras de levier est la distance « perpendiculaire » du pivot à la ligne d'action de la force. Changer l'angle de la force change le bras de levier.
Erreur
Le levier doit être horizontal pour être en équilibre
Correct
Incorrect. Un levier est en équilibre s'il est stationnaire (même s'il est incliné) ou s'il tourne à une vitesse constante. Nous utilisons la position horizontale dans les expériences car le bras de levier correspond aux marques de la règle, facilitant la mesure.
Erreur
La Force motrice et la Résistance doivent être de côtés opposés du pivot
Correct
Incorrect. Ils peuvent être du même côté (par exemple, pinces à épiler, cannes à pêche). Tant que leurs moments s'opposent (l'un dans le sens horaire, l'autre dans le sens antihoraire), l'équilibre est possible.

Lectures complémentaires

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