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50 : les engrenages

Dossier - Physique : chronologie des grandes étapes
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Le physicien Clifford A. Pickover a recensé 250 étapes des grandes idées de la physique. Dans ce dossier, découvrez comment notre perception de l’univers a évolué au fil du temps, et les acteurs de ces changements, de l’Antiquité à l’aube du XXIe siècle.

  
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Les engrenages à rotation, aux dents imbriquées, ont joué un rôle crucial dans l'histoire de la technologie. Non seulement ils augmentent la force de torsion appliquée, ou couple, mais ils permettent de modifier la vitesse et la direction de la force.

Les engrenages. © Ioannis Liasidis - Shutterstock

L'une des machines les plus anciennes est une roue de potier, et les engrenages associés existaient probablement depuis des milliers d'années. Au IVe siècle avant J.-C., Aristote s'intéressa aux roues utilisant les frottements entre surfaces lisses pour transmettre le mouvement.

Construite vers 125 avant J.-C., la machine d'Anticythère employait les engrenages dentés pour calculer les positions astronomiques. L'une des plus anciennes références écrites aux engrenages dentés est celle de Héron d'Alexandrie, vers l'an 50. En raison de leur capacité à amplifier les forces, les engrenages ont été utilisés par les premiers ingénieurs pour soulever les lourdes charges. Les propriétés de modification de la vitesse furent, quant à elles, sollicitées quand les anciennes machines à textile fonctionnaient grâce aux chevaux ou à l'eau. La vitesse de rotation fournie étant souvent insuffisante, l'on utilisait des engrenages en bois pour accroître le rythme de la production textile.

Les engrenages ont joué un rôle important dans l’histoire. Les mécanismes à engrenage augmentent l’application de la force ou du couple, et permettent aussi de changer la vitesse et la direction d’une force. © Clifford A. Pickover

Quand deux engrenages sont imbriqués, le rapport de la vitesse de rotation s1/s2 est égal au rapport inverse du nombre n de dents des deux engrenages : s1/s2n2/n1. Un petit engrenage tourne ainsi plus vite que son partenaire plus grand. Le rapport de couple est dans une relation opposée. L'engrenage le plus grand est soumis à un couple plus élevé, et le couple le plus élevé se traduit par une vitesse réduite. Cette propriété est utile, par exemple, pour les tournevis électriques, où le moteur produit un couple faible à grande vitesse, mais où nous voulons une vitesse lente et un couple accru. Parmi les engrenages les plus simples figurent les engrenages cylindriques, aux dents en coupe droite. Les engrenages hélicoïdaux, aux dents en coupe angulaire, fonctionnent plus doucement et permettent généralement des couples plus élevés.