Machines simples et engrenages : la Grande Roue

Les machines simples : les petites idées qui soulèvent de grandes choses

Une machine simple est un objet sans moteur qui rend un travail plus facile. Elle ne donne pas de force gratuite : elle change la direction de la force, ou elle échange un peu de force contre beaucoup de distance. Les Congolais utilisent des machines simples tous les jours sans y penser : le pilon, la brouette, la pente qui monte au marché, la poulie du puits.

Les cinq familles

1. Le levier : une barre rigide qui tourne autour d'un point fixe, le pivot. Plus la main est loin du pivot, moins il faut de force. Une brouette, un décapsuleur et une pelle sont des leviers.
2. La roue et l'essieu : une roue fixée sur un axe. Rouler demande beaucoup moins d'effort que traîner, parce que le frottement est plus faible. Le pousse-pousse du marché en est la preuve chaque matin.
3. Le plan incliné : une pente. Monter un sac de ciment par une rampe est plus facile que le soulever d'un coup, mais on parcourt un chemin plus long.
4. La poulie : une roue à gorge dans laquelle passe une corde. Une poulie fixe change le sens de la force : on tire vers le bas, la charge monte. Deux poulies combinées divisent la force par deux.
5. L'engrenage : deux roues dentées qui s'emboîtent. Quand l'une tourne, l'autre tourne dans le sens contraire. Si la petite roue a 10 dents et la grande 40 dents, la grande tourne quatre fois plus lentement, mais avec quatre fois plus de force.

Ce qui se passe dans un engrenage

Retenez la règle : le nombre de dents multiplié par le nombre de tours est le même pour les deux roues. Une roue de 10 dents qui fait 4 tours fait avancer 40 dents ; une roue de 40 dents avance donc de 1 tour. Un moteur tourne très vite mais sans grande force ; les engrenages transforment cette vitesse en force lente et puissante. C'est exactement ce dont une grande machine a besoin.

La Grande Roue de Kinshasa

Sur la Grande Roue de Kinshasa, les cabines sont accrochées à une roue géante qui tourne lentement autour d'un axe central. Un moteur électrique fait tourner un petit pignon ; grâce à une chaîne de transmission et à des réducteurs (des engrenages en série), la roue immense fait un tour complet en plusieurs minutes. La roue elle-même est une roue et essieu géante ; l'axe repose sur des paliers qui réduisent le frottement. Les cabines pendent librement : elles restent horizontales grâce à la gravité, comme une balançoire.

Autour de la roue, cherchez d'autres machines simples : la rampe d'accès pour les fauteuils roulants (plan incliné), le frein à main de l'opérateur (levier), les poulies qui tendent les câbles de l'éclairage.

Sens et vitesse de rotation

Deux engrenages qui se touchent tournent en sens contraire. Pour retrouver le même sens, on ajoute une roue intermédiaire. Pour aller plus vite, la roue motrice doit être plus grande que la roue entraînée ; pour aller plus lentement mais avec plus de force, c'est l'inverse. Les vélos de Kinshasa utilisent la même idée : le grand plateau à l'avant et le petit pignon à l'arrière font tourner la roue plus vite que les pédales.

À retenir

• Une machine simple facilite un travail sans créer d'énergie.
• Levier, roue et essieu, plan incliné, poulie, engrenage : cinq familles.
• Deux roues dentées en contact tournent en sens contraire ; la plus grande tourne plus lentement.
• Dents × tours = constante.