Les moments de force, également appelés couples, sont un concept fondamental en physique qui fait référence à la capacité d'une force à produire une rotation autour d'un point ou d'un axe fixe.
Autrement dit, les moments de force expliquent comment une force peut faire tourner un objet au lieu de simplement le déplacer en ligne droite.
Nous allons maintenant approfondir le sujet avec quelques exemples quotidiens que nous avons tous vécus à un moment donné.
1. Ouvrir une porte : le moment qu'on applique en tournant une poignée
Pensez à la dernière fois que vous avez poussé une porte. Si vous poussez près des charnières, là où la porte se connecte au cadre, vous devez appliquer beaucoup plus de force pour la déplacer.
Au lieu de cela, si vous poussez ou tirez depuis l’extrémité opposée, là où se trouve normalement la poignée, cela semble beaucoup plus facile.
Parce que?
C’est là qu’intervient la notion de moment de force. Le moment est le produit de la force que vous appliquez et de la distance par rapport au point de pivotement (dans ce cas, les charnières de la porte). En appliquant la force en éloignant les charnières, nous augmentons cette distance et, par conséquent, le moment augmente également.
Cela signifie qu'avec la même force, nous obtenons un plus grand effet lors de l'ouverture de la porte. C'est pourquoi les poignées sont placées à l'écart des charnières, pour faciliter l'ouverture et la fermeture.
2. Serrage des vis avec une clé : l'effet d'un levier
Lorsque nous utilisons une clé pour serrer une vis, nous appliquons un moment de force.
Lorsque nous tournons la clé, nous générons une force de rotation autour de l’axe de la vis. La longueur de la clé est ici essentielle.
Plus elle est longue, moins nous devons appliquer de force pour tourner la vis.
Imaginez que vous essayez de serrer une vis très dure. Si vous disposez d’une petite clé, vous devrez appliquer beaucoup de force. Cependant, si vous utilisez une clé plus longue, le moment augmente car la distance entre la force que vous appliquez et l'axe de la vis augmente également. Le serrage de la vis devient ainsi plus facile.
En d’autres termes, en allongeant le levier (clé), nous pouvons faire en sorte que la tâche demande moins d’effort physique.
3. Le volant d’une voiture : tourner pour changer de direction
Lorsque nous conduisons une voiture et tournons le volant, nous appliquons un moment sur l’axe de direction.
Avez-vous remarqué que le volant a un diamètre considérable ? Ce n'est pas une coïncidence. Plus notre main est éloignée de l'axe de direction, plus il sera facile d'appliquer un moment et de tourner le volant.
Imaginez que vous essayiez de tourner le volant depuis le centre : cela demanderait beaucoup de force. En plaçant la jante du volant à une certaine distance de l'axe, nous utilisons le principe du moment pour obtenir un pilotage sans effort excessif.
4. Le swing : appliquer des moments au swing
Nous avons tous apprécié une balançoire à un moment donné, et lorsque nous le faisons, nous créons un moment autour des crochets qui maintiennent la balançoire au cadre.
Lorsque vous vous poussez en avant et en arrière, vous modifiez l'angle et l'amplitude du moment que vous appliquez, ce qui vous permet de contrôler la vitesse et la hauteur du swing.
En fait, même les enfants réalisent intuitivement que s’ils se penchent en avant ou en arrière au bon moment, ils peuvent augmenter l’amplitude de leur swing.
Cette action génère un moment qui maintient le mouvement du pendule et permet au swing de monter et de descendre avec un élan croissant.
5. Pédaler sur un vélo : générer du mouvement par des moments de force
Lorsque vous pédalez sur un vélo, vous appliquez également des moments de force. En appuyant sur les pédales, vous générez un moment autour de l'axe de rotation du vélo, qui est au centre du plateau.
La force que vous appliquez sur la pédale est multipliée par la distance par rapport au centre du plateau, générant un moment qui aide à propulser le vélo vers l'avant.
De plus, la taille du plateau, qui correspond à la distance depuis le centre de l'essieu où les dents de la chaîne s'engagent, influence le moment où vous transmettez. Plus le plateau est grand, plus la force peut être transmise à la chaîne et aux roues, ce qui rend le pédalage sur certains terrains plus efficace.
6. Le levier : une machine simple et puissante
Le levier est l'un des exemples les plus clairs de l'utilisation du moment de force.
Pensez à une situation dans laquelle vous devez soulever une lourde pierre du sol. Si vous essayez de le soulever directement, cela pourrait être impossible. Mais si vous utilisez une longue barre comme levier et placez une pierre plus petite comme point d'appui (ou point d'appui) près de la pierre que vous souhaitez soulever, vous pourriez la déplacer relativement facilement.
Cela se produit parce que le levier nous permet d'appliquer une force à une extrémité, qui devient un moment par rapport au point d'appui, permettant de soulever l'objet à l'autre extrémité. Plus la barre que vous utilisez est longue, moins vous aurez besoin de force, car le moment sera plus grand.
C’est ce même principe qui rend une brouette, avec son long manche et son point d’appui proche de la charge, si efficace pour déplacer des objets lourds.
7. La poulie : faciliter le levage des charges
Une autre machine simple qui utilise des moments de force est la poulie.
Une poulie est une roue traversée par une corde ou un câble. En tirant sur une extrémité de la corde, vous appliquez une force d'entrée, générant un moment autour de l'axe de la poulie. Ce moment facilite le levage de charges à l'autre extrémité.
Les poulies peuvent être utilisées en combinaison, par exemple dans un système de poulies composées, pour réduire davantage la force nécessaire. En augmentant le nombre de poulies, on augmente la distance effective sur laquelle la force est appliquée et donc le moment.
Cela nous permet de soulever des objets lourds avec une force minimale, comme cela se produit dans les systèmes de poulies des grues ou des ascenseurs, comme ce serait le cas de la poulie sur l'image.
8. Turbines à vapeur : produire de l'électricité à travers des instants
Les turbines à vapeur sont un exemple industriel d'application de moments de force.
Dans une centrale nucléaire, la vapeur générée par l'énergie thermique est dirigée vers les aubes d'une turbine, appliquant une force tangentielle à la roue.
Cette force est perpendiculaire à l'axe de la turbine, générant un moment qui fait tourner les pales et, par conséquent, l'axe de la turbine.
Ce mouvement de rotation est transmis à un générateur qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. Ici, le moment de force généré par la vapeur est essentiel pour produire le mouvement circulaire qui donne naissance à l’électricité.
Cet exemple peut également être transposé à toute autre éolienne, comme ce serait le cas des éoliennes dans un parc éolien.