Le plan incliné est l'une des six machines simples classiques qui permettent d'améliorer ou de réorienter un système de forces pour faciliter le travail mécanique.
Si vous y réfléchissez, vous avez probablement vu ou même utilisé un plan incliné sans vous en rendre compte.
Un exemple typique est une rampe. Imaginez que vous portez une lourde valise et que vous devez la monter dans des escaliers. Il serait beaucoup plus facile de le transporter s'il y avait une rampe au lieu de le soulever directement dans les escaliers, n'est-ce pas ? Eh bien, c’est l’un des principes de base du plan incliné : il permet de déplacer plus facilement des objets lourds que de les déplacer verticalement.
Qu'est-ce qu'un plan incliné ?
Un plan incliné est une surface inclinée par rapport au sol, sans être complètement verticale ni complètement horizontale. C'est quelque part entre les deux, comme la rampe dont nous parlions.
En termes simples, lorsque nous parlons d’un plan incliné en physique, nous le faisons pour désigner la manière dont cette inclinaison affecte la force nécessaire pour déplacer un objet.
Lorsque vous montez une rampe, par exemple, vous utilisez moins de force que si vous essayiez de soulever l'objet directement à la verticale. En effet, le plan incliné répartit la force sur une plus grande distance.
L’important est que même si vous utilisez moins de force à un moment donné, vous devez l’appliquer sur une plus grande distance. Ainsi, même si la force diminue, le travail que vous effectuez reste le même.
Comment fonctionne le plan incliné ?
Pour mieux comprendre le fonctionnement de cette machine simple, il faut parler de forces.
En physique, les forces sont tout ce qui peut faire bouger, changer de direction ou arrêter un objet. Dans le cas du plan incliné, plusieurs forces entrent en jeu lorsque vous essayez de déplacer un objet le long de celui-ci.
Les principaux sont :
- La force de gravité : C'est la force qui attire les objets vers la Terre. Il agit toujours verticalement, c'est-à-dire vers le bas.
- La force normale : C'est la force exercée par la surface du plan incliné sur l'objet, et qui est perpendiculaire à cette surface.
- Force de frottement : Aussi appelée force de frottement, c'est la force qui s'oppose au mouvement entre deux surfaces en contact, comme l'objet et le plan incliné.
- La force appliquée : Il s’agit de la force que vous ou quelqu’un d’autre appliquez pour déplacer l’objet le long du plan incliné.
La décomposition des forces
La gravité est la force qui est toujours présente et qui affecte tout ce qui a une masse. Sur un plan incliné, la gravité se décompose en deux composantes ou parties :
- Une composante perpendiculaire au plan incliné : C'est la partie de la force de gravité qui presse l'objet contre le plan incliné.
- Une composante parallèle au plan incliné : C'est la partie de la gravité qui « pousse » l'objet vers le bas. S’il n’y avait pas de friction et que nous n’appliquions aucune autre force, c’est ce composant qui ferait glisser l’objet vers le bas.
Lorsque nous avons un plan incliné, comme je l'ai mentionné, la force de gravité peut être divisée en deux directions : une qui agit parallèlement au plan incliné (en essayant de faire glisser l'objet vers le bas) et une autre qui est perpendiculaire au plan (en appuyant sur l'objet). contre la surface).
Pour mieux visualiser cela, imaginez que vous placez un bloc sur un plan incliné et que vous arrêtez d'appliquer toute force.
Le bloc, en raison de la gravité, tentera de glisser sur la rampe. Parce que? Parce que la composante parallèle de la gravité agit dans cette direction.
Si l'angle du plan incliné est suffisamment petit et qu'il y a suffisamment de friction, le bloc ne bougera pas, mais si l'angle augmente, le bloc commencera à glisser.
Formules et calcul mathématique
Une fois que nous comprenons clairement comment les forces sont décomposées, nous pouvons utiliser quelques formules de base pour analyser ce qui se passe sur un plan incliné.
La gravité, en termes mathématiques, est égale à la masse de l'objet (m) multipliée par l'accélération due à la gravité (g), soit :
F gravité = m⋅g
Maintenant, cette force de gravité peut être décomposée en deux composantes que nous avons mentionnées précédemment si nous utilisons un peu de trigonométrie de base :
- La composante perpendiculaire au plan incliné :
F\perpendiculaire = m⋅g⋅cos(θ)
- La composante parallèle au plan incliné :
F \parallel =m⋅g⋅sin(θ)
Où θ est l'angle d'inclinaison de l'avion.
Ces équations permettent de comprendre comment se répartit la force de gravité lorsqu’un objet se trouve sur un plan incliné.
Ce qui est intéressant, c’est que la force que vous devez appliquer pour soulever un objet sur une rampe dépend directement de cette composante parallèle.
Avantages du plan incliné
L’un des avantages les plus importants du plan incliné est qu’il réduit la force nécessaire pour soulever un objet. Au lieu de soulever un objet lourd directement verticalement, ce qui nécessiterait une force importante, vous pouvez utiliser un plan incliné pour réduire cette force.
Par exemple, si vous deviez soulever verticalement un objet de 100 kg, vous devrez appliquer une force égale à la gravité agissant sur l'objet, soit 100 kg multiplié par 9,8 m/s², ce qui donne 980 N (newtons).
Cependant, si vous utilisez un plan incliné, la force nécessaire sera moindre car le plan répartit le travail sur une plus grande distance. Plus le plan incliné est long et plus son angle est petit, moins vous devez appliquer de force.
Frottement sur le plan incliné
On ne peut pas parler de plans inclinés sans évoquer les frottements. La friction est la force qui s'oppose au mouvement entre deux surfaces en contact.
Dans le cas d’un plan incliné, le frottement agit dans le sens opposé au mouvement de l’objet.
Il existe deux types de frottements que l’on pourrait considérer sur un plan incliné :
- Frottement statique : C'est la force qui empêche un objet de commencer à bouger lorsqu'il est au repos. Si l’on place un bloc sur un plan incliné, c’est le frottement statique qui le maintient en place.
- Frottement cinétique : C'est la force qui agit sur un objet déjà en mouvement. Une fois que l’objet commence à glisser, la friction cinétique s’oppose à son mouvement.
Le frottement dépend de deux facteurs principaux : le type de surface et la force normale.
Sur un plan incliné, la force normale est inférieure à celle si l’objet se trouvait sur une surface plane, car la force normale est perpendiculaire au plan incliné et non vers le bas. Cela signifie que, sur un plan incliné, la friction est moindre que si vous essayiez de déplacer le même objet sur une surface horizontale.