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Levier (figure 4)
Il existe trois types de leviers différents, même s'ils ont tous des points
communs. Tous les leviers comprennent une barre, une tige ou toute autre
surface reposant sur un point d'appui. La force est appliquée à l'une des
extrémités d'une tige, qui, à son tour, déplace une charge. L'effort nécessaire
est moins important lorsque la charge se trouve à proximité du point d'appui.
Avec un levier de première classe, le point d'appui se trouve au milieu de la
charge. Une balançoire à bascule est un exemple de levier de première classe
qui applique la force dans une direction pour déplacer la charge dans la
direction opposée. Construisez un modèle avec la tige reposant au centre du
point d'appui et placez deux roues à chaque extrémité de la tige pour faire la
démonstration de ce principe (figure 4B). Observez que lorsque l'on appuie sur
l'une des extrémités, l'autre extrémité se soulève.
Avec un levier de seconde classe, le point d'appui se trouve à l'une des
extrémités avec la charge située entre le point d'appui et la force appliquée.
C'est le cas d'une brouette, par exemple. La charge se trouve au centre et le
point d'appui est la roue. L'effort est appliqué au niveau des poignées et permet
à une personne de lever et de déplacer facilement la charge. Construisez
le modèle avec la tige reposant à l'une des extrémités du point d'appui et
placez une roue au milieu. Soulevez l'autre extrémité de la tige pour faire la
démonstration de ce principe (figure 4C). Observez que la charge est soulevée
dans la même direction que l'effort.
Avec un levier de troisième classe, le point d'appui se trouve aussi à l'une
des extrémités, mais cette fois-ci l'effort est appliqué au milieu entre le point
d'appui et la charge. Une cane à pêche est un exemple de ce type de levier.
Lorsque l'on pêche, le bras fait office de point d'appui. L'effort est appliqué au
centre de la cane à pêche et la charge se trouve à l'extrémité de la ligne. La
charge se déplace dans la même direction que l'effort appliqué. Construisez
le modèle avec la tige reposant à l'une des extrémités du point d'appui et
placez une roue à l'autre extrémité. Soulevez le centre de la tige pour faire la
démonstration de ce levier de troisième classe (figure 4D). Observez que la
charge est soulevée dans la même direction que l'effort.
Roue et axe (figure 5)
Une roue et un axe est l'une des machines simples les plus courantes et les plus
utiles. Son objectif est de déplacer des objets d'un endroit à un autre avec très
peu d'effort. Le mouvement est accompli en faisant rouler un objet, alors que la
roue tourne sur son axe. Faites la démonstration de ce principe en construisant
un modèle de poignée de porte. Faites rouler la roue en avant et en arrière et
regardez l'axe tourner.
La roue et l'axe consiste en une roue avec une tige, appelée axe, en son centre.
Les voitures, les mécanismes d'horloge et les poignées de porte ne sont que
quelques exemples de roue et d'axe.
Faites des expériences avec la roue et l'axe en construisant le modèle de voiture
(figure 5E). Posez un objet lourd sur le dessus de la voiture et faites-la rouler
sur une surface. Observez le peu d'effort nécessaire. Placez maintenant le
même objet sur la même surface sans la voiture. Poussez l'objet sur la surface.
Observez l'effort supplémentaire nécessaire pour déplacer le même objet sur la
même distance.
Définitions
Effort
Quantité de force appliquée pour déplacer un objet
Force
Le fait de pousser ou de tirer un objet
Point d'appui
Le support sur lequel s'appuie un levier pour déplacer ou soulever un objet
Plan incliné
Surface plate qui déplace un objet d'un niveau à un autre avec moins de force
sur une distance plus importante
Levier
Une barre, une tige ou toute autre surface reposant sur un point d'appui pour
soulever des objets avec moins d'effort
Charge
L'objet à déplacer
Machine simple
Machine qui consiste en très peu de pièces ou en pièces non mobiles pour
faciliter le déplacement d'un objet
Poulie
Corde ou fil se déplaçant sur une roue ou un ensemble de roues et qui change
la direction de la force appliquée sur un objet pour le déplacer plus facilement
Coin
Consiste en au moins un, mais généralement deux plans inclinés assemblés
pour former une pointe qui divise ou sépare un objet
Roue et axe
Une roue avec un axe, appelé essieu, en son centre sur lequel la roue tourne
afin de déplacer des objets
Travail
Quantité de force exercée multipliée par la distance parcourue par un objet
Einfache Maschinen
Einfache Maschinen – ein wichtiger Teil unseres Alltags – erleichtern uns
zahlreiche Tätigkeiten, zum Beispiel das Anheben, Ziehen oder Schieben von
Gegenständen. Mit einfachen Maschinen ist eine Person in der Lage, Arbeiten
mit geringerem Kraft- und Energieaufwand zu bewältigen. Um eine schwere
Kiste beispielsweise in einen Lkw zu heben, ist wesentlich mehr Kraft und
Anstrengung erforderlich, als die Kiste über eine Schräge zu schieben. Einfache
Maschinen können auch die Höhe des Kraftaufwands zum Bewegen eines
Gegenstands oder zum Ändern der Kraftrichtung oder -strecke verringern.
Dieser Bausatz besteht aus 63 Komponenten, mit denen fünf einfache
Maschinen gebaut werden können: Flaschenzug, schiefe Ebene, Keil, Hebel und
Wellrad. Jede Maschine reduziert den Kraftaufwand anders.
Flaschenzug (Abbildung 1)
Die Hauptaufgabe eines Flaschenzugs besteht darin, die Richtung einer
angewandten Kraft zu ändern, wodurch wiederum der zur Bewegung eines
Gegenstands erforderliche Kraftaufwand reduziert wird. Wird auf einen
Gegenstand über einen Flaschenzug eine nach unten gerichtete Kraft ausgeübt,
bewegt sich der Gegenstand nach oben. Demonstrieren Sie dieses Prinzip,
indem Sie den Faden und Haken des 10-g-Blocks über einen Flaschenzug
verlegen und am Haken nach unten ziehen (Abbildung 1F). Beobachten Sie,
dass sich der Block nach oben bewegt, wenn der Haken nach unten gezogen
wird. Die angewandte Kraft ändert die Richtung, in die sich der Block bewegt.
Damit wird die Bewegung nach oben leichter.
Stellen Sie sich einen Bauarbeiter vor, der versucht, einen großen Stahlträger
auf ein Gebäude zu schieben. Es wäre einfacher, den Stahlträger mit einer
Maschine mit Flaschenzug anzuheben.
Ein Flaschenzug besteht aus einem Band oder Drahtseil, das sich über
mindestens ein Rad oder ein aus mehreren Rädern bestehendes System
bewegt. Als Beispiele aus dem Alltag können Flaggenmasten, Baukräne,
Fensterjalousien sowie ältere Aufzüge genannt werden.
Experimentieren Sie mit dem Flaschenzugmodell, indem Sie die Position,
die Menge oder die Größe der Räder verändern (Abbildung 1G). Hängen
Sie Unterlegscheiben an den Haken. Wie viele Unterlegscheiben brauchen
Sie, um den 5-g-Block bzw. den 10-g-Block zu bewegen? Ändert sich der
Kraftaufwand, wenn der Faden durch mehr oder weniger Räder verläuft? Wie
ändert sich die Richtung? Erhöht oder verringert sich der Kraftaufwand, wenn
man kleine bzw. große Räder verwendet? Ändert sich der Kraftaufwand, wenn
sich die Position der Räder ändert? Wie ändert sich die Richtung?
Schiefe Ebene (Abbildung 2)
Die Hauptaufgabe einer schiefen Ebene besteht darin, einen Gegenstand
durch Ziehen oder Schieben mit geringerem Kraftaufwand über eine größere
Strecke in eine bestimmte Höhe zu bewegen. Demonstrieren Sie dieses Prinzip,
indem Sie den 10-g-Block über die Schräge ziehen (Abbildung 2B). Stellen
Sie den Block dann auf den Tisch und heben ihn senkrecht nach oben in die
gleiche Höhe. Sie werden feststellen, wie viel einfacher es ist, den Block über
die Schräge zu ziehen, als ihn manuell anzuheben. Beim Ziehen des Blocks
muss zwar eine längere Strecke zurückgelegt werden, aber die schiefe Ebene
erleichtert das Verfahren.
Stellen Sie sich eine Person vor, die Kisten verlädt, indem sie sie vom Boden
hochhebt und auf die Ladefläche eines Lkw stellt. Es wäre einfacher, die Kisten
über eine Rampe zu tragen oder zu schieben. Obwohl eine größere Strecke
zurückgelegt werden muss, ist bei einer schiefen Ebene der Kraftaufwand im
Vergleich zum manuellen Anheben geringer.
Eine schiefe Ebene besteht aus einer Rampe, die zu einer anderen Ebene führt.
Als Beispiele aus dem Alltag können Treppen und Rutschen angeführt werden.
Experimentieren Sie mit der schiefen Ebene und verändern Sie deren Höhe
(Abbildung 2D). Wird sich der erforderliche Kraftaufwand durch eine steilere
Schräge eher erhöhen oder eher reduzieren? Lassen Sie neben der Schräge
einen Ball aus gleicher Höhe herunterfallen und gleichzeitig einen zweiten Ball
die Schräge herunterrollen. Welcher Ball kommt zuerst am Boden an? Um den
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