Cette expérience de physique amusante est facile à réaliser.
Matériel
- un poids de 2kg (ou autre objet lourd)
- un ustensile de cuisine avec un manche cylindrique
- une planche rectangulaire de longueur de l’ordre de 60 cm, solide mais aussi légère que possible
Protocole
Mettre le poids sur une extrémité de la planche. Placer la cuillère en bois sous la planche transversalement de manière à ce qu’elle soit proche de l’autre extrémité de la planche. Placer l’index sur cette extrémité et exercer une force en poussée pour soulever le poids de 2kg, en levier. Observer.
Déplacer maintenant le manche en bois vers le poids (en le maintenant transversale à la planche). Procéder comme précédemment. Que constatez-vous ?
Observations
Alors que dans la première situation, il est quasiment impossible de soulever le poids avec un doigts, dans la deuxième situation, le défi est relevé facilement.
Que se passe-t-il ?
Cette expérience met en évidence la notion de bras de levier.
Pour comprendre un peu l’expérience il faut considérer toutes les forces en présence en considérant le système (planche+masse de 2kg). Négligeons dans un premier temps le poids de la planche. Il ne reste donc qu’à considérer le poids P de la masse de 2 kg, la réaction de la part du manche cylindrique et la force F exercée par le doigt sur la planche.
Sur le dessin ci-dessus, la planche est représentée en équilibre à la position horizontale. Notons a et b les distances entre l’axe de rotation et respectivement la masse de 2kg et et le doigt dans la première expérience. On note a’ et b’ les mêmes distances dans la deuxième expérience.
Cette expérience montre que pour soulever la masse, la force F exercée par le doigt doit être d’autant plus élevée qu’elle s’exerce proche de l’axe de rotation.
Plus précisément, les physiciens montrent qu’au minimum, la force F exercée par le doigt doit être telle que b.F = a.P. Dans le raisonnement, la réaction du manche n’intervient pas car cette force ne joue aucune rôle dans la rotation du système autour de l’axe considéré.
Les distances a et b (ou a’ et b’) s’appellent les bras de levier associés respectivement au poids de la masse et à la force exercée par le doigt par rapport à l’axe de rotation que constitue le manche cylindrique.
Comme a/b>1, la première situation n’est pas du tout favorable puisqu’il faut fournir un force supérieure à celle que l’on devrait exercer si on tenait directement la masse. En revanche, comme a’/b’ <1, la deuxième situation est favorable.
Dans le cas où l’on ne néglige plus le poids de la planche. Dans la première situation le doigt doit fournir une force encore plus forte pour maintenir la planche en équilibre. En revanche dans la deuxième situation, le doigt peut fournir une force moins élevée pour soulever la masse de 2kg.
