Manuel de Reconstruction

Construire un palan et des machines simples

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Construire un palan et des machines simples

En une phrase

Un palan est un système de cordes et de poulies qui multiplie la force d’un homme pour soulever des charges impossible à lever à bras — le principe qui rend possibles les grues, les moulins, les ponts et toute construction lourde.

Qu’est-ce que c’est ?

Les machines simples sont les briques élémentaires de toute mécanique. Il en existe six : le levier, le plan incliné, la poulie, le coin, la roue et la vis. Toute machine complexe, du moulin à eau au moteur à vapeur, est une combinaison de ces six machines simples.

Cette page couvre les machines simples les plus utiles pour la reconstruction de civilisation, avec un accent sur le palan — le système de poulies qui multiplie la force de traction.

Le principe fondamental est la conservation du travail. Si une force F soulève un poids P d’une hauteur H, le travail est F x H. Pour soulever un poids P, il faut soit une force égale à P (soulever directement), soit une force plus petite F sur une distance plus grande H. Le palan permet d’utiliser une force F plus petite en augmentant la distance H sur laquelle on tire.

Les rapports de force :

  • 1 poulie fixe : ne multiplie pas la force, juste change la direction. Force = Poids. On tire vers le bas au lieu de lever vers le haut. Avantage : on peut utiliser son propre poids.
  • 1 poulie mobile : multiplication par 2. On soulève la moitié du poids. On tire deux fois la distance.
  • 2 poulies (1 fixe + 1 mobile) : multiplication par 2.
  • 2 poulies en haut + 2 poulies en bas : multiplication par 4.
  • 3 poulies en haut + 3 poulies en bas : multiplication par 6.
  • Le rapport idéal est le nombre de brins de corde qui soutiennent la charge.

Où trouver/fabriquer

Les cordes

Voir Fabriquer des cordages pour la fabrication détaillée. Pour un palan, on utilise des cordes de chanvre, lin ou manille de 8 à 20 mm de diamètre selon la charge.

La résistance d’une corde de chanvre de 12 mm de diamètre est environ 800 kg en traction. Pour les charges lourdes, utiliser plusieurs cordes ou une corde plus grosse.

Le bois

Pour les poulies et les cadres : du bois dur, solide et résistant à l’usure. Chêne, frêne, hêtre, orme. Le frêne est idéal car il est flexible et résistant aux chocs.

Le fer

Pour les axes de poulie et les crochets : voir Forger des outils en fer. L’axe de poulie est soumis à des contraintes importantes et doit être en fer ou en bronze.

Les machines simples en détail

Le levier

Le levier est une barre rigide qui pivote autour d’un point d’appui. Trois catégories :

Levier de premier genre (inter-appui) : le point d’appui est entre la force et la charge. Exemples : balançoire, levier de levage, frein à main.

  • Avantage mécanique = distance entre force et appui / distance entre charge et appui
  • Un levier de 2 m avec l’appui à 0,5 m de la charge multiplie la force par 4.

Levier de deuxième genre (inter-résistant) : la charge est entre la force et l’appui. Exemples : brouette, casse-noix, ouvre-bouteille.

  • Avantage mécanique = distance entre force et appui / distance entre charge et appui. Toujours supérieur à 1.

Levier de troisième genre (inter-effort) : la force est entre la charge et l’appui. Exemples : bras humain, canne à pêche, pince à épiler.

  • Avantage mécanique toujours inférieur à 1 (on perd en force mais on gagne en vitesse et amplitude).

Comment fabriquer un levier de levage :

  1. Choisir un bâton ou une poutre de bois dur de 1,5 à 3 m de long.
  2. Placer un point d’appui (une pierre, une bûche, un bloc) sous le levier, près de la charge.
  3. Glisser l’extrémité du levier sous la charge.
  4. Appuyer sur l’autre extrémité. La charge se soulève avec une force multipliée par le rapport des distances.

Le plan incliné

Une surface inclinée qui permet de monter une charge en poussant horizontalement au lieu de lever verticalement.

  • Avantage mécanique = longueur du plan / hauteur du plan.
  • Un plan incliné de 10 m de long pour monter de 2 m multiplie la force par 5.
  • Rampes de construction, escaliers, chemins en lacet — tous sont des plans inclinés.

Comment utiliser un plan incliné :

  1. Construire une rampe de terre ou de bois de la pente voulue.
  2. Pousser ou rouler la charge le long de la rampe.
  3. La force nécessaire est le poids divisé par le rapport de la longueur à la hauteur.

Le coin

Deux plans inclinés dos à dos. Utilisé pour fendre le bois, fixer des assemblages et soulever des charges sur de courtes distances.

  • Exemples : cognée, cale, cheville, clou.
  • Le coin transforme une force horizontale (coups de marteau) en une force de séparation verticale.

La poulie

Une roue avec une gorge dans laquelle une corde coulisse. La poulie change la direction de la force ou multiplie la force.

Poulie fixe : fixée à un support. Change la direction de la force sans multiplier. On tire vers le bas au lieu de lever vers le haut.

Poulie mobile : attachée à la charge. Multiplie la force par 2. La corde est fixée en haut, passe sous la poulie mobile (attachée à la charge) et remonte vers le haut.

Comment fabriquer une poulie en bois :

  1. Le disque : tailler un disque de bois dur (chêne ou frêne) de 10-20 cm de diamètre et 3-5 cm d’épaisseur. Le diamètre dépend de la corde : au moins 8 fois le diamètre de la corde (pour une corde de 12 mm, une poulie de 10 cm de diamètre minimum).
  2. La gorge : creuser un canal en V ou en U sur le pourtour du disque, de la largeur de la corde. La corde doit s’y loger sans sortir. La gorge doit être lisse pour minimiser le frottement.
  3. Le trou central : percer un trou au centre du disque pour l’axe. Le diamètre du trou correspond à l’axe de fer ou de bois dur (8-15 mm).
  4. L’axe : un cylindre de fer ou de bois dur poli qui sert de pivot. L’axe traverse le disque et est fixé au cadre de la poulie.
  5. Le cadre : deux joues en bois dur (les côtés de la poulie) qui entourent le disque et sont percées pour l’axe. Les joues sont maintenues par des boulons ou des chevilles.
  6. Le crochet : un crochet en fer forgé attaché au cadre pour suspendre la poulie (poulie fixe) ou la charge (poulie mobile).

La roue et l’essieu

Voir Fabriquer une roue et un essieu pour le détail. La roue et l’essieu est un levier de premier genre en rotation. L’avantage mécanique = rayon de la roue / rayon de l’essieu.

La vis

Un plan incliné enroulé en hélice autour d’un cylindre. La vis transforme un mouvement circulaire en un mouvement linéaire.

  • Exemples : presse à vis, tire-bouchon, escabeau, vis d’Archimède.
  • La vis d’Archimède est une hélice dans un cylindre qui monte l’eau quand on la tourne. Voir Construire un moulin à eau.

Étapes détaillées : construire un palan à 4 brins

Étape 1 : Fabriquer les poulies

Fabriquer 4 poulies en bois avec axe de fer selon les instructions ci-dessus. Deux poulies seront le bloc fixe (en haut) et deux poulies seront le bloc mobile (en bas, attachées à la charge).

Étape 2 : Fabriquer les cadres de blocs

  1. Bloc fixe : assembler deux poulies côte à côte dans un cadre en bois dur. Le cadre a un crochet en fer en haut pour le fixer au support.
  2. Bloc mobile : assembler deux poulies côte à côte dans un cadre en bois dur. Le cadre a un crochet en fer en bas pour suspendre la charge.

Étape 3 : Passer la corde

  1. Fixer une extrémité de la corde au support (en haut, près du bloc fixe).
  2. Passer la corde sous la première poulie du bloc mobile.
  3. Passer la corde au-dessus de la première poulie du bloc fixe.
  4. Passer la corde sous la deuxième poulie du bloc mobile.
  5. Passer la corde au-dessus de la deuxième poulie du bloc fixe.
  6. L’extrémité libre de la corde est la corde de traction qu’on tire vers le bas.

Résultat : 4 brins de corde soutiennent la charge. La force nécessaire pour soulever est divisée par 4 (idéalement). En pratique, à cause du frottement, la force nécessaire est d’environ un quart du poids plus 10-20% de frottement.

Étape 4 : Fixer le palan

  1. Fixer le bloc fixe à un support solide (poutre, branche d’arbre, trépied).
  2. Fixer la charge au bloc mobile.
  3. Tirer sur la corde de traction. La charge se soulève. Pour chaque mètre de corde tiré, la charge monte de 25 cm (1/4 de la distance).

Étape 5 : Entretenir le palan

  1. Graisser les axes des poulies avec de la graisse animale ou de l’huile végétale.
  2. Vérifier les cordes régulièrement. Remplacer toute corde effilochée ou affaiblie.
  3. Vérifier les crochets et les cadres. Tout signe de fatigue ou de fissure nécessite un remplacement immédiat.
  4. Ne jamais dépasser la charge maximale. Pour une corde de chanvre de 12 mm et 4 poulies, la charge maximale est d’environ 1500 kg (force de traction : environ 400 kg).

Combinaisons de machines simples

Les machines simples se combinent pour créer des machines complexes :

  • Grue = palan + levier + roue. Le palan soulève, le levier (bras de la grue) déplace horizontalement, la roue permet la rotation.
  • Moulin à eau = roue + engrenage + levier. L’eau fait tourner la roue, les engrenages multiplient la vitesse, la meule écrase le grain.
  • Pressse à vis = vis + levier. La vis convertit la rotation en pression, le levier donne la force de rotation.
  • Treuil = roue + levier. Le treuil est un axe horizontal avec un levier (manivelle) qui enroule une corde autour de l’axe.
  • Cabestan = levier vertical sur un axe vertical. Deux hommes poussent les extrémités du levier et l’axe tourne, enroulant la corde ou la chaîne.

Comment construire un treuil

  1. L’axe : un cylindre de bois dur de 15-20 cm de diamètre et 50-80 cm de long. L’axe est monté horizontalement sur deux supports en bois dur.
  2. La manivelle : un bras de levier de 30-50 cm de long fixé perpendiculairement à l’axe. C’est le levier qu’on tourne.
  3. Le tambour : la partie de l’axe sur laquelle la corde s’enroule. Le diamètre du tambour (8-15 cm) détermine l’avantage mécanique. Plus le tambour est petit, plus la force est multipliée mais plus on tourne lentement.
  4. Le cliquet : un système d’ancage qui empêche l’axe de tourner en sens inverse (et donc la charge de redescendre). Un cliquet est une pièce de bois ou de fer qui s’engage dans les dents d’une roue dentée fixée à l’axe.
  5. La corde : enroulée autour du tambour, elle soulève la charge quand on tourne la manivelle.

Avantage mécanique du treuil = longueur de la manivelle / rayon du tambour. Pour une manivelle de 40 cm et un tambour de 10 cm, l’avantage est de 4. Un homme peut soulever 400 kg avec 100 kg de force.

Pièges et erreurs courantes

  • Corde qui sort de la gorge : la gorge de la poulie est trop large ou la corde est trop fine. La corde doit remplir la gorge sans déborder. Utiliser une corde adaptée au diamètre de la poulie.
  • Poulie qui coince : l’axe est trop serré ou la gorge est rugueuse. Graisser l’axe. Polir la gorge. L’axe doit tourner librement.
  • Cassure de corde : la corde est usée, effilochée ou trop fine pour la charge. Toujours vérifier la corde avant de lever une charge. Remplacer toute corde douteuse.
  • Surcharge : un palan à 4 brins ne soulève pas 4 fois le poids de la corde. La force de traction = poids / 4 + frottement (10-20%). Ne pas dépasser la résistance de la corde la plus faible.
  • Point d’ancrage qui cède : le support auquel le palan est fixé doit supporter toute la charge, pas seulement une fraction. Un palan à 4 brins sur un support de 100 kg soulève 400 kg mais le support doit supporter 400 kg + le poids du palan.
  • Angle de traction : tirer la corde de biais (pas dans l’axe des poulies) augmente le frottement et diminue l’avantage mécanique. Toujours tirer dans l’axe.
  • Corde qui glisse : les cordes mouillées glissent. Enrouler 2-3 fois autour du tambour pour créer suffisamment de friction.

Une fois que vous savez faire ça, vous pouvez débloquer

Notes

  • Le palan est décrit par Archimède au IIIe siècle avant notre ère. Il aurait dit : “Donnez-moi un point d’appui et un levier, et je soulèverai le monde.”
  • L’efficacité réelle d’un palan est d’environ 80-90% par poulie à cause du frottement. Un palan à 4 brins donne un avantage mécanique réel de 3,2 à 3,6 au lieu de 4.
  • Le frottement de la corde sur la poulie est la principale source de perte. Graisser les axes et utiliser des poulies de grand diamètre réduit le frottement.
  • La résistance d’une corde de chanvre de 12 mm est d’environ 800 kg en traction. Pour une charge de 500 kg en sécurité, utiliser au minimum une corde de 16 mm avec un palan à 4 brins.
  • Les Égyptiens utilisaient des palans et des plans inclinés pour construire les pyramides. Sans machines simples, il est impossible de lever des blocs de plusieurs tonnes.
  • Le cabestan est la plus ancienne machine de levage connue. Les marins l’utilisent depuis des millénaires pour lever les ancres.

Vue Graphique

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