Chapitre 1 : Le monde physique des machines

Les machines sont conçues pour remplacer la main-d'œuvre humaine. Pourtant, de nombreuses personnes se sentent mal à l'aise en leur présence, car elles ne comprennent pas comment fonctionnent les machines. Ce chapitre définit les concepts physiques fondamentaux — force, énergie, travail, puissance et pression — qui reviendront dans chaque chapitre ultérieur de ce cours.

Figure 1-1 Une unité hydraulique industrielle typique. La pompe, le moteur, le réservoir et les vannes sont souvent regroupés dans un même boîtier, comme illustré ici.

Force

Une force est toute action qui modifie — ou tente de modifier — l’état de mouvement d’un objet.

Newton (N)

L’unité SI de la force est le newton (N). Dans le système américain usuel, la force est mesurée en livres (lbs).

Trois façons dont une force modifie le mouvement

Une force peut avoir trois effets sur un objet :

1. Mettre l’objet en mouvement.
2. Le ralentir ou l’arrêter.
3. Changer le sens de son déplacement.

Résistance

Toute force qui ralentit ou arrête un mouvement est appelée résistance. Les deux résistances les plus courantes dans les machines hydrauliques sont le frottement et l'inertie.

Friction

Le frottement est la résistance qui existe à la surface de contact entre deux objets en mouvement — ou ayant tendance à se déplacer — l’un par rapport à l’autre.

Figure 1-3 Le frottement agit partout où deux surfaces sont en contact et glissent l’une contre l’autre.

Inertie

L’inertie est la tendance d’un objet à conserver son état actuel de mouvement. Un objet au repos reste au repos ; un objet en mouvement continue de se déplacer. L’inertie est directement liée à la masse : un objet plus lourd est plus difficile à mettre en mouvement ou à arrêter.

Exemple : Une balle en plomb possède plus d’inertie qu’une balle en bois. Donnez un coup de pied aux deux avec la même force et la balle en bois se déplacera plus vite et plus loin, ce qui montre que la balle en plomb s’oppose davantage au changement de mouvement.

Énergie

L’énergie est ce que possède une force lorsqu’elle est capable de faire bouger quelque chose. En termes simples : l’énergie est la capacité à effectuer un travail.

L'énergie cinétique

L'énergie cinétique est l'énergie du mouvement. Tout objet en mouvement possède de l'énergie cinétique, car il peut pousser d'autres objets et les mettre en mouvement. Plus il est lourd et plus il se déplace rapidement, plus son énergie cinétique est importante.

Formes d'énergie

L'énergie existe sous de nombreuses formes : mécanique, thermique (chaleur), électrique, lumineuse, chimique et sonore.

Loi de conservation de l'énergie

L'énergie ne peut jamais être créée ni détruite — elle peut uniquement être transformée d'une forme à une autre. Il s'agit l'une des lois les plus fondamentales de la physique.

Figure 1-6 Loi de conservation de l'énergie : l'énergie n'est jamais détruite, mais seulement transformée en une autre forme.

Conversion d'énergie

L'énergie électrique provenant d'une prise peut se transformer en lumière (dans une ampoule), en chaleur (dans un chauffage), en mouvement mécanique (dans un moteur) ou en son (dans un haut-parleur), selon le dispositif utilisé. L'énergie est toujours conservée — elle change simplement de forme.

Autre exemple : glisser le long d'une corde transforme l'énergie cinétique du corps en chaleur dans la corde et dans les mains, ce qui explique pourquoi le frottement vous ralentit et réchauffe la corde.

États de l'énergie

Énergie cinétique — énergie en mouvement

L’énergie cinétique représente un travail qui a déjà été effectué — c’est l’énergie qu’un objet possède du fait de son mouvement. La plupart des formes d’énergie doivent se trouver à l’état cinétique avant de pouvoir accomplir un travail utile.

Énergie potentielle — énergie stockée

L’énergie potentielle est une énergie stockée. Lorsque les conditions appropriées sont réunies, l’énergie potentielle se transforme en énergie cinétique et provoque un mouvement. L’énergie potentielle provient de la nature physique d’un objet ou de sa position par rapport à un point de référence.

Exemples : l’eau stockée dans un château d’eau possède de l’énergie potentielle en raison de sa hauteur — elle peut s’écouler vers le bas et accomplir un travail à un niveau inférieur. Une batterie non connectée à un circuit stocke de l’énergie potentielle chimique.

Figure 1-8 Deux exemples courants d’énergie potentielle : un château d’eau surélevé et une batterie chargée.

Conversion d’état énergétique

L'énergie potentielle et l'énergie cinétique se transforment librement l'une en l'autre. L'eau dans une tour représente de l'énergie potentielle ; lorsqu'elle s'écoule vers le bas, elle devient de l'énergie cinétique ; lorsqu'elle remplit un récipient puis est soulevée à nouveau, elle redevient de l'énergie potentielle.

Travail

Un travail est effectué lorsqu'une force agit sur un objet et le déplace sur une certaine distance. Si aucun déplacement n'a lieu, aucun travail n'est effectué.

Joule, J = N·m

L'unité SI du travail est le joule (J). Dans le système américain usuel, le travail est mesuré en pieds-libres (ft·lbs).

Formule du travail

(J) = (m) × (N) ou (ft·lbs) = (ft) × (lbs)

Exemple : Une chariot élévateur soulève chaque palette à une hauteur de 5 ft (1,524 m) avec une force de 2 000 lbs (8 880 N). Le travail effectué par palette est le suivant :

Figure 1-9 Travail = force × distance. Le chariot élévateur effectue un travail chaque fois qu’il soulève une palette.

Puissance

Le travail est toujours effectué en un certain laps de temps. La puissance est la vitesse à laquelle le travail est effectué — c’est-à-dire la quantité de travail effectué par unité de temps.

Formule de la puissance

(W) = (m) × (N) ÷ (s) ou (ft·lb/s) = (ft) × (lb) ÷ (s)

En reprenant l’exemple du chariot élévateur : si le travail de 10 000 ft·lb est effectué en 5 secondes, la puissance délivrée est la suivante :

Puissance (CV)

Le cheval-vapeur (CV) est l’unité impériale de puissance. James Watt, inventeur de la machine à vapeur, l’a définie en comparant la puissance de sa machine à celle d’un cheval de trait. Il a constaté qu’un cheval pouvait déplacer une masse de 550 lb sur une distance de 1 ft en 1 seconde :

Formule du cheval-vapeur

kW = CV × 0,746

Pour l’exemple du chariot élévateur : 2 000 pi·livres/s ÷ 550 = 3,6 CV (= 2 707 W = 2,71 kW).

Figure 1-11 James Watt a défini 1 CV comme étant égal à 550 pi·livres par seconde, après avoir observé des chevaux au travail.

Pression

La pression mesure l’intensité d’une force — c’est-à-dire dans quelle mesure cette force est concentrée sur une surface donnée. Deux objets peuvent exercer la même force totale, mais produire des pressions très différentes selon la surface de contact.

Exemple courant : chaussures à talons hauts contre chaussures plates. Les deux supportent le même poids corporel, mais la petite surface du talon concentre ce poids, générant une pression très élevée sur le sol, tandis qu’une semelle plate répartit la même force sur une grande surface et produit une pression faible. Toute personne ayant déjà reçu un talon sur le pied comprend bien ce phénomène.

Formule de la pression

(Pa = N/m²) = (N) ÷ (m²) ou (psi) = (livres) ÷ (po²)

Conversions d’unités :

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar = environ 14,5 psi
• Pression atmosphérique normale = 14,7 psia = 1,01 bar = 101 000 Pa

Exemple : Un bloc dont la surface de base est de 100 po² (645 cm²) pèse 100 lb (444 N). Pression = 100 lb ÷ 100 po² = 1 psi (0,07 bar). Les mêmes 100 lb appliqués sur une tige d’acier dont la surface de base est de 0,25 po² (1,6 cm²) : 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Figure 1-12 : Même force, pressions très différentes. Plus la surface est petite, plus la pression est élevée.

Énergie de travail

Les machines utilisent généralement l’énergie sous forme de pression. La pression est ce qui résulte de l’action de l’énergie cinétique sur la surface d’une charge. L’énergie de travail associe l’énergie cinétique à la pression afin de déplacer la charge.

Conversion de l’énergie de travail

Dans tous les systèmes de transmission, une partie de l’énergie de travail est perdue par frottement en chemin vers la charge. Cette énergie perdue n’est pas détruite — elle se transforme en chaleur. La fraction d’énergie transformée en chaleur constitue la perte du système et est ce qui rend les systèmes inefficaces.

La pression à la source est supérieure à la pression au niveau de la charge, car de l’énergie est consommée pour vaincre les frottements dans les tuyaux, les vannes et les raccords sur le parcours.

Figure 1-13 : Écoulement de l’énergie utile depuis la source jusqu’à la charge. Les frottements rencontrés en chemin produisent de la chaleur, ce qui réduit la pression atteignant la charge.

Méthodes de transmission de l’énergie

Il existe quatre façons de transmettre l’énergie des machines depuis la source jusqu’au lieu où le travail est effectué :

Transmission mécanique

L’énergie se propage par mouvement physique — leviers, chaînes, engrenages, poulies, courroies et cames. Le support est une pièce mécanique mobile directement reliée à la source d’énergie.

Transmission électrique

L’énergie circule le long de conducteurs électriques (fils) et est délivrée à un actionneur électrique — un moteur ou un électroaimant — afin d’effectuer un travail.

Transmission pneumatique

L’énergie circule dans des tuyaux sous forme de flux d’air comprimé et est délivrée à un actionneur pneumatique (vérin pneumatique ou moteur pneumatique) afin d’effectuer un travail.

TRANSMISSION HYDRAULIQUE

L'énergie circule dans les tuyaux sous forme de liquide (huile) sous pression et est acheminée vers un actionneur hydraulique (vérin ou moteur) pour effectuer un travail mécanique. C'est l'objet de ce cours dans son ensemble.

Chaque machine effectue, en fin de compte, un travail mécanique. L'énergie, sous quelque forme que ce soit — électrique, pneumatique ou hydraulique —, doit être à nouveau convertie en énergie mécanique par un actionneur avant que la charge puisse être déplacée. Chaque méthode présente des avantages et des inconvénients, et de nombreuses machines combinent deux méthodes ou plus.

Figure 1-17 : La transmission hydraulique transporte l'énergie sous forme de liquide sous pression. Le vérin ou le moteur situé à l'extrémité la reconvertit en force mécanique.

Pertes du système

Dans tout système de transmission réel, une partie de l'énergie est convertie en chaleur par frottement avant d'atteindre la charge. L'énergie de travail (énergie cinétique sous pression) agit sur les surfaces des tuyaux et des vannes, générant une résistance et de la chaleur. Cette perte se manifeste par une chute de pression entre la source et la charge. L'énergie est conservée — elle change simplement de forme, ce qui rend le système moins efficace.