Transformation des mouvementsQuelques mécanismes qui transforment le mouvement

Frédéric KapalaIUFM de Franche-Comté - 2 janvier 2006

Caractérisation des mouvements élémentaires

Translation

Un solide est en mouvement de translation lorsqu'un segment quelconque de ce solide reste parallèle à lui-même au cours du déplacement.

Translation rectiligne

Les divers points du solide en translation rectiligne décrivent des droites. Si le vecteur vitesse est constant au cours du temps, alors le solide est animé d'un mouvement de transla-tion rectiligne uniforme.

Exemple : cabine d’un funiculaire

Tous les points du funiculaire photographié ci-contre décrivent des droites parallèles (dont la direction est donnée par les rails) au cours de son mouve-ment d’ensemble.

Translation curviligne

Les divers points du solide en translation curviligne décrivent des courbes superposables.

Exemple n°1 : cabine de téléphérique

Tous les points d’une cabine de téléphérique décrivent des courbes identiques superposables qui correspondent au pro-fil du câble qui soutient la cabine comme le montre le sché-ma ci-dessous.

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Exemple n°2 : cabine d’une grande roue.

Tous les points d’une des cabines de la grande roue décrivent des cer-cles identiques superposables comme le montre le schéma ci-dessous.

Rotation

La rotation d’un solide est caractérisée par :

• un axe de rotation, droite autour de laquelle s'effectue la rotation ;• un sens de rotation, dont le repérage dépend du point de vue qu’il convient de préciser ;

• une vitesse de rotation ω d’un point du solide en rotation, exprimée en radians par se-conde (rd/s) qui est liée à la vitesse périmétrique v (m/s) de ce point par la relation v = R.ω, où R est alors la distance de ce point à l’axe de rotation.

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Composition de mouvements

Tous les mouvements peuvent s’envisager comme composition de mouvements de trans-lation et de rotation.

Ainsi, vu depuis un point fixe de l’espace, le mouvement de la Lune autour de la Terre peut se décrire comme la composition de plusieurs rotations ; la Lune fait un tour autour de son centre de gravité en une lunaison, pendant que celui-ci effectue un tour autour du centre de gravité du système Terre-Lune ; ce dernier effectue lui-même un tour autour du Soleil en une année...

Deux transformations mécaniques du mouvement

Système bielle-manivelle : Rotation ⇔ translation rectiligne alternée

Description

Le schéma ci-dessous décrit le système bielle manivelle qui permet de transformer un mouvement de rotation en mouvement de translation rectiligne alternée. Les points rouges

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A, B et C signalent des centres de rotation (appelés aussi pivots). Le point B tourne sur le cercle pointillé de centre A. Le segment [AB] représente la « manivelle » (la poignée de cette manivelle n’est pas représentée ; elle serait située en B et viendrait vers nous, per-pendiculaire au plan du schéma). Le segment [BC] représente la bielle. Celle-ci est donc reliée au « piston » (en marron) par une liaison pivot en C. La translation rectiligne du pis-ton est assujettie par des guides au bâti du mécanisme qui constituent ce qu’on appelle une liaison glissière.

Ce mécanisme peut servir dans le sens « inverse » ; le mouvement alterné du piston peut provoquer la rotation de [BA] à condition que des « contrepoids » adaptés donne suffi-samment d’inertie au système pour qu’il puisse passer les positions où les points A, B et C sont alignés (comme dans une locomotive à vapeur ou un moteur à quatre temps).

Scie mécanique

Sur la photographie ci-dessous qui représente une scie mobile, on voit très bien la mani-velle, la bielle et la scie qui y est attachée. Le mouvement est transmis à la manivelle par

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une transmission à chaîne (la manivelle est solidaire d’une roue dentée). On aperçoit aussi comment le guidage de la lame de scie est assuré : celle-ci est fixée sur deux tubes qui coulissent sur deux barres que l’on distin-gue derrière la bielle. Le sciage s’effectue à la verticale.

Sur ces deux autres photographies, on dis-tingue le mécanisme d’une scie dans une

scierie « traditionnelle » ; sur la photographie de gauche, on peut voir la roue sur laquelle est fixée la bielle et le moteur qui l’entraîne ; sur la photographie de droite, on retrouve la bielle qui entraîne une scie (le sciage s’effectue à l’horizontale) ; on distingue en bas le chariot sur lequel sont posées les billes de bois à scier et qui avance sous la lame de scie.

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Système à came : Rotation ⇒ translation rectiligne alternée, Rota-

tion ⇒ rotation alternée

Description

Une came est un organe mécanique en rotation autour d’un axe ; il possède une partie saillante qui, au cours de la rota-tion, va exercer une action mécanique sur un partenaire (tête de soupape, levier...). Pour la came représentée ci-contre, c’est la forme ovoïde qui assure à la came son efficacité ; cela peut aussi être fait en disposant des dents en saillie à la périphérie d’une roue, comme nous allons le voir dans le cas du martinet de forge.

Arbre à came : Rotation ⇒ translation rectiligne alternée

Les deux reproductions ci-contre simulent l’entraînement d’une soupape par la rotation d’une came. Nous retrouverons ce système mécanique plus loin dans le cadre de la des-cription du moteur thermique à quatre temps.

Le rôle de la soupape est de permettre ou d’interdire le passage d’un fluide (dans le cas du moteur, c’est le mélange air+essence par exemple). Dans les deux représentations ci-contre, le bloc dans lequel la soupape joue son rôle est représenté en coupe.

La première représentation montre la position « fermée » du système ; la partie saillante de la came n’appuie pas sur la tête de soupape et le ressort maintient celle-ci en position « haute » ; le fluide ne peut pas passer. La se-conde représentation montre la position « ouverte » du système ; la partie saillante de la came appuie sur la tête de soupape et la maintient en position « basse » ; le fluide peut circuler.

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On voit là la nécessité d’un dispositif « de retour », représenté ici par le ressort, dont l’ac-tion « complète » celle de la came.

Martinet de forge : Rotation ⇒ rotation alternée

Le dessin ci-dessus décrit le fonc-tionnement d’un martinet de forge entraîné par une roue à cames. Celle-ci est constituée d’une roue, ou d’un tambour, à la périphérie de laquelle des dents viennent ap-puyer sur l’extrémité d’un levier dont l’autre extrémité porte un «  marteau  ». La rotation continue de la roue à came entraîne la rota-tion partielle du manche autour de

son articulation ; quand une dent n’appuie plus, le martinet retombe du fait de son propre poids en attendant que la dent suivante vienne le relever. Dans ce cas, c’est donc la gravité qui assure le retour et com-plète l’action des cames de la roue à cames.

Sur cette ancienne photographie ci-dessus, on distingue un ouvrier en train de marteler une pièce de métal et on reconnaît, à l’arrière-plan du poste de travail adjacent inoccupé, les cames fixées sur le tambour rotatif.

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Le moteur thermique à quatre temps

Les deux principes mécaniques que nous venons de voir (transmission et transformation du mouvement par bielle et par came) sont présents dans un moteur thermique à quatre temps.

Coupe d’un moteur

Dans la coupe d’un moteur thermique à quatre temps comportant 4 cylindres qui est re-présentée ci-dessus, on reconnaît le vilebrequin et les bielles en rouge, les pistons dans leurs cylindres (coupes en jaune), surmontés des soupapes mues par les deux arbres à

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cames. Pour chaque cylindre, il y a deux soupapes pour l’admission et deux soupapes pour l’échappement, et il y a deux arbres à came « en tête », un pour les soupapes d’ad-mission, un pour les soupapes d’échappement.

Fonctionnement du moteur à quatre temps

Le moteur thermique à quatre temps se compose essentiellement d’un carter comportant un certain nombre de cylindres, généralement deux à douze. Dans chaque cylindre peut coulisser un piston qui oscille entre deux positions extrêmes appelées point mort haut et point mort bas; une bielle, articulée à l’une de ses extrémités au piston et à l’autre à un arbre coudé appelé vilebrequin, permet de transformer le mouvement rectiligne alternatif du piston en un mouvement de rotation. La chambre de combustion, délimitée par le pis-ton et le cylindre, est fermée dans sa partie supérieure par la culasse. Cette pièce est équipée de soupapes dont le mouvement alternatif, synchronisé à la rotation du vilebre-quin, gère la circulation des gaz au travers du moteur dans la chambre de combustion. Le moteur est souvent caractérisé par sa cylindrée, exprimée en litres ou en centimètres cu-bes. Celle-ci est égale au volume balayé par le piston, multipliée par le nombre de cylin-dres.

On appelle «cycle» l’ensemble des opérations qui se répète périodiquement. Un temps correspond à une course de piston dans le cylindre. Le cycle à quatre temps met en œu-vre quatre courses de piston (deux aller et retour) et correspond donc à deux tours de l’ar-bre vilebrequin. Son déroulement diffère selon le type de carburant utilisé: essence ou su-percarburant dans le moteur à allumage commandé, gazole dans le moteur Diesel.

Le moteur à allumage commandé

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Le cycle à quatre temps se déroule de la façon suivante:

• admission: la ou les soupapes d’admission s’ouvrent; le piston, partant du point mort haut, descend dans le cylindre en aspirant un mélange air-essence préalablement élabo-ré par un système approprié ;

• compression: les soupapes se referment; le piston remonte du point mort bas en com-primant le mélange gazeux ;

• explosion, détente: une étincelle électrique déclenche la réaction chimique de combus-tion; l’énergie déployée par la détente des gaz repousse le piston vers le point mort bas; c’est le temps moteur ;

• échappement: la ou les soupapes d’échappement s’ouvrent ; le piston remonte du point mort bas en chassant les gaz brûlés.

Ensemble Vilebrequin-bielle-piston

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Dans le dessin ci-contre, qui représente une coupe d’un cy-lindre d’un moteur à quatre temps, on peut voir la mise en application du principe de la bielle.

Le mouvement du piston causé par l’explosion du mélange air-essence entraîne la bielle (en marron) qui entraîne la ro-tation du vilebrequin (en violet). On note la forme particulière du vilebrequin ; la présence de « contrepoids » (renflement sur le côté opposé à l’attache de la bielle) lui confère l’inertie qui lui est nécessaire pour opérer complètement sa rotation (rappelons que sur quatre cylindres, un seul est en « temps

moteur » et permet aux autres de bouger...).

Arbre à came

La photographie ci-dessus représente un arbre à came. On en distingue les parties saillantes qui viennent appuyer sur les têtes de soupapes, soit directement, soit par l’in-termédiaire de culbuteurs. La rotation des arbres à cames est assurée et synchronisée par celle du vilebrequin par l’intermédiaire d’une transmission par courroie ou via un train d’engrenages (voir la coupe du moteur plus haut).

sources

Encyclopedia Universalis

http://commons.wikimedia.org/wiki/Accueil

http://fr.wikipedia.org/wiki/Accueil

http://www.adivadesign.it/vendesi/segheria/

http://www.reseau-patrimoine.net/article.php3?id_article=74

http://moulinafer.free.fr/Martinet.htm

http://www.itedo.com/F/160_397.php

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