Levier : équilibrage des couples
1 · Prédire
Un levier est épinglé en son centre exact, avec une poussée vers le bas appliquée à chaque extrémité, à la même distance du pivot. Si un côté pousse plus fort que l’autre, le levier s’incline-t-il vers la poussée la plus forte, vers la poussée la plus faible, ou reste-t-il équilibré quoi qu’il arrive ?
- Il penche vers la poussée la plus forte
- Il reste équilibré quelles que soient les forces
- Il penche vers la poussée la plus faible
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage Levier. Une poutre rigide est épinglée en son centre ; une force vers le bas 50 N est appliquée 2 m à partir du pivot à chaque extrémité.
- Cliquez sur la flèche de force gauche sur la poutre et notez sa force dans l'inspecteur, puis cliquez sur la flèche de force droite et faites de même.
- Pour chaque ligne ci-dessous, définissez les forces de force gauche et droite dans l'inspecteur, exécutez la simulation, sélectionnez la poutre et lisez la valeur de couple τ = r × F dans le panneau Math.
3 · Collecter les Données
| Force gauche (N) | Force juste (N) | Couple net (depuis la simulation) (N·m) | τ = r × F (calculé) (N·m) |
|---|---|---|---|
| 50.00 | 50.00 | ||
| 50.00 | 80.00 | ||
| 70.00 | 40.00 |
Tracez la différence de force (Force droite - Force gauche) sur l'axe des x par rapport au couple net que vous avez mesuré sur l'axe des y. Que représente la pente et où la ligne passe-t-elle par zéro ?
4 · Analyser
- Pour chaque ligne, calculez manuellement 2 m × (Right Force − Left Force). Comparez-le au couple net que vous avez lu dans le panneau Mathématiques du simulateur. Est-ce qu'ils correspondent ?
- Dans la rangée 1 , les deux forces sont égales et le levier reste de niveau. Qu'est-ce que cela vous apprend sur la relation entre les forces et la longueur des bras pour qu'un levier soit équilibré ?
5 · Approfondir
- Les vrais leviers – comme une balançoire avec deux cavaliers de poids différents – nécessitent souvent des longueurs de bras inégales, et non des forces inégales, pour s'équilibrer. Si la force du côté droit restait à 50 N mais que sa distance par rapport au pivot doublait pour atteindre 4 m, quelle force sur le bras gauche (toujours à 2 m) serait nécessaire pour l'équilibrer ?
- Une clé, un ouvre-bouteille et une paire de ciseaux sont tous des leviers. Choisissez-en un et identifiez son pivot, la force appliquée et la charge qu'il déplace, puis expliquez pourquoi une poignée plus longue le rend plus facile à utiliser.
La physique derrière cette expérience
Couple
Le couple est l'effet de rotation d'une force autour d'un pivot : τ = r × F, où r est la distance entre le pivot et l'endroit où la force agit. Un levier s'équilibre lorsque les couples des deux côtés s'annulent : forces égales à des distances égales ou forces inégales à des distances inversement proportionnelles.