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On se propose, dans ce TP, de déterminer la caractéristique technique de ce lève charge, c’est à dire la «démultiplication» de l’effort à exercer pour déplacer une charge donnée et de déterminer la charge maximale que l’on puisse soulever.

  G Temps maxi pour cette période : 2 heures

 Ü Avec le dossier technique, répondre aux questions suivantes :

1-1) Schéma cinématique

Après avoir consulté le schéma cinématique spatial du lève charge en couleur (dossier ressource) :

1-1-1) Reproduire ce schéma en conservant les mêmes couleurs.

1-1-2) Retrouver les différentes pièces constituant les classes d’équivalence du schéma cinématique et les colorier sur le dessin d’ensemble (Doc 1) suivant la couleur indiquée.

1-1-3) Justifier le fait que les biellettes 7 soient dans la même classe d’équivalence.

1-1-4) Quel est le nom de la liaison entre les classes {1} et {10} ? Et donner la direction de son axe principal.

Nota : On admettra que les deux supports 1 et 3 font parti de la même classe d’équivalence.

Nous supposerons que le pied agit sur le bout du levier 5 et que la chaussure est totalement rigide et horizontale. Enfin, le levier est dans la position figure 1 (Doc 2).

1-2-1) Actions mécaniques à distance :

- A quelle(s) action(s) mécanique(s) à distance est soumis le lève charge ?

- Citer d’autres actions mécaniques à distances.

1-2-2) Actions mécaniques de contact :

- En phase de fonctionnement (lorsque nous soulevons un meuble) donner toutes les actions mécaniques de contact appliquées sur le lève charge en indiquant (à l’aide de couleurs) le point (ou la zone) de contact sur les 2 vues (figure 1) du document 2.

- Laquelle de ces actions mécaniques de contact peut être directement modélisée par une force, expliquer pourquoi ?

Fixer le lève charge dans l’angle de la table dans la configuration suivante (figure ci-dessous) à l’aide d’un serre joint :

1-3-1) Accrocher successivement en A (voir Doc 3) les masses de 500g, 1kg, 2kg, 5kg, 10kg, remplir le tableau (figure 2 ; Doc 2), en relevant à chaque fois l’effort qu’il faut appliquer en B (voir Doc 3) pour provoquer le soulèvement de la masse (au début du mouvement). Préciser les équations et les unités.

1-3-2) Indiquer sur le document 3 les vecteurs modélisant les actions mécaniques appliquées en A et en B et indiquez leurs noms (échelle : 1 Newton <=> 1 cm).

On observe que les résultats obtenus dans la quatrième colonne (rapport des efforts) tourne autour d’une même valeur.

1-3-3) Calculer la moyenne de ces rapports.

1-3-4) Que peut-on en conclure sur l’efficacité de l’appareil.

1-4-1) A votre avis, quel est l’ordre de grandeur de l’effort que l’utilisateur peut appliquer sur le levier 5 (en gardant une stabilité suffisante).

1-4-2) Relever l’effort occasionnel que peut exercer un homme avec le pied sur le document Principes Ergonomiques du Dossier Ressource.

1-4-3) Calculer le poids de l’objet à soulever en appliquant, sur la pédale, l’effort déterminé ci-dessus.

1-4-4) En déduire sa masse.

 

  G Temps maxi pour cette période : 2 heures.

Ce lève charge est conçu pour permettre de soulever des objets lourds (meubles), qu’un utilisateur ne pourrait manœuvrer seul, sans le mécanisme. Le rapport entre «poids de l’objet à manœuvrer» et «effort utilisateur sur le levier» est d’environ 2,5. On se propose d’augmenter ce rapport, c’est-à-dire, d’améliorer l’efficacité du lève charge.

2-1) Première manipulation : Doc 4

On accroche une masse de 10 kg au lève charge. Cette masse représente la masse du meuble à soulever.

On emmanche sur le levier 5, un tube sur lequel figurent 3 trous repérés T1, T2, T3.

On modélise l’action de l’utilisateur sur le tube par une force verticale.

2-1-1) Pour chacune des 3 positions définies sur le tube, mesurer, à l’aide du dynamomètre, l’intensité de la force minimale à appliquer pour déclencher le levage de la masse. Consigner ces 3 valeurs dans le tableau figurant sur le document réponse Doc 4.

2-1-2) En respectant l’échelle donnée, mettre en place chacune de ces forces sur le document Doc 4.

2-1-3) A quel endroit l’utilisateur devrait-il mieux tenir le tube : au plus près de l’axe de rotation ou au plus loin de l’axe de rotation ?

Justifier en vous appuyant sur l’expérimentation précédente.

2-1-4) Tracer, sur Doc 4,le bras de levier (consulter votre cours ou bien la ressource : moment) pour les 3 cas de figure.

2-1-5) Mesurer cette distance sur le lève meuble représenté sur le document Doc 4 (Attention à l’échelle!), et compléter le tableau correspondant.

2-1-6) Calculer le produit «F_util/tube.d» pour les 3 cas.

2-1-7) Que peut-on remarquer en ce qui concerne le produit «F_util/tube.d»?

 

Ce produit sera appelé moment de la force par rapport à l’axe considéré.

2-1-8) Selon vous, quelle est son unité : N/m ; m/N ; N ou N.m ? Justifier votre réponse.

2-2) Deuxième manipulation: Doc 5

On remplace la masse de 10kg par une masse de 5kg, et on agira maintenant sur le tube au trou T2. Pour un point d’application de la force donné, nous allons voir l’influence de la direction de l'action exercée par l'utilisateur.

2-2-1) Pour chacune des 3 directions définies sur le document Doc 5, mesurer l’intensité de la force minimale à appliquer pour déclencher le levage et noter dans le tableau du document Doc 5.

2-2-2) En respectant l’échelle donnée, mettre en place chacune de ces forces sur le document Doc 5.

2-2-3) Tracer le bras de levier pour les 3 cas de figure.

2-2-4) Mesurer cette distance, et complétez le tableau du document Doc 5 (Attention à l’échelle).

2-2-5) Que peut-on remarquer en ce qui concerne le moment de la force (produit «F_util/tube.d») par rapport à l’axe ?

2-2-6) La valeur du moment, déterminée précédemment, est la valeur nécessaire pour obtenir le levage de la porte. Pour obtenir cette valeur de moment, quelle est la direction de la force la plus intéressante ?

2-2-7) Quel serait la valeur du bras de levier si on exerçait la force dans la direction du levier (-45°). Quelle serait la valeur du moment associé ? Le levage serait-il possible ?

2-2-8) Peut-on dire que lorsque le moment par rapport à l’axe augmente, l’effet de la force devient plus important (c’est à dire que la mise en rotation devient plus facile) ? Justifier votre réponse à l’aide de l’expérimentation précédente.

2-2-9) Quels paramètres pouvons-nous faire varier pour augmenter le moment d’une force : - son point d’application ?

- son sens ?

- sa direction ?

- ou l’intensité de la force ?

Préciser pour chaque paramètre retenu comment agir sur lui pour augmenter le moment :?

 

2-3) Troisième manipulation

Nous allons maintenant voir comment le sens de la force peut être pris en compte dans l’expression du moment. Pour cela, nous allons introduire le vecteur moment par rapport à un point.

Il nous reste à déterminer le sens de ce vecteur.

On désire lever une masse de 4kg en agissant sur le tube au trou T2.

Pour ce faire, on place au trou T2, une masse de 1Kg.

On modélise l’action de la pesanteur sur la masse par (poids de la masse de 1 Kg), appliqué en T2.

2-3-1) Compléter la figure 3,en précisant :

- le poids (le représenter, calculer son module).

- le bras de levier du poids (le représenter, le mesurer)

- le module du moment en O de

2-3-2) Donner la direction du moment en 0 de .

2-3-3) Sur la figure 3 (Doc 2), on peut définir 2 sens. Repérer le sens correspondant au mouvement du tube :

- Si la force tend à faire tourner le levier dans le sens +, on tourne de vers : le moment sera dirigé selon ( le vecteur moment « viendra vers nous » )

- Si la force tend à faire tourner le levier dans le sens -, on tourne de vers : le moment sera dirigé selon – ( le vecteur moment « s’éloignera de nous »)

Remarque : la « méthode de la vis » ou du « tire bouchon », vue pour la construction des repères locaux, peut être appliquée, si les repères sont directs. En tournant dans le sens +, on dévisse, donc le vecteur moment vient vers nous, suivant .

2-3-4) Quel est le sens du vecteur moment de la force par rapport au point O ?

2-3-5) Le vecteur moment sera calculé par une formule mathématique, que nous verrons ultérieurement. Comment, à partir de la donnée de peut-on retrouver le moment par rapport à l’axe (O, ) ?

On place au trou T2, une masse de 200g. On modélise l’action de la pesanteur sur la masse par appliqué en T2.

2-3-6) Que se passe-t-il?

2-3-7) Selon vous, laquelle de ces propositions est juste ?

- Le tube ne tourne pas donc le moment du poids en O est nul.

- Le moment en O du poids tend à faire tourner le tube mais reste insuffisant.

2-3-8) Justifier votre réponse.

2-3-9) Calculer le module du moment du poids en O.

 

Ü  Que devient le rapport entre «poids de l’objet à manœuvrer» et «effort utilisateur sur le tube» lorsque l'utilisateur exerce une force à hauteur du trou T2 (Reprendre les données obtenues lors de la première manipulation) ?

Ü  Préciser si le mécanisme est plus efficace qu'avant.