Depuis les premières civilisations, les êtres humains cherchent à accomplir des tâches difficiles avec moins d'effort. Soulever de lourdes pierres, déplacer des troncs d'arbres, construire des monuments ou transporter des marchandises demande souvent une force importante. Pour faciliter ce travail, ils ont imaginé des dispositifs capables de transformer l'action d'une force : les machines simples.

Ces mécanismes sont à l'origine de presque toutes les machines modernes. Même les engins les plus sophistiqués utilisent encore les principes découverts il y a plusieurs milliers d'années.

L'origine du mot « machine »

Le mot machine vient du grec ancien mēkhanḗ (μηχανή), qui signifie « moyen », « invention » ou « dispositif permettant d'accomplir une tâche ». Les Romains reprennent ensuite ce mot sous la forme machina, à l'origine du mot français actuel.

Les premières machines

Les Égyptiens, les Grecs et les Romains utilisent déjà des leviers, des poulies et des plans inclinés pour construire des temples, déplacer d'immenses blocs de pierre ou hisser des charges en hauteur.

Au III^e siècle avant notre ère, le savant grec Archimède étudie le fonctionnement du levier et montre comment une machine peut multiplier l'effet d'une force. Ses travaux marquent une étape importante dans le développement de la mécanique.

À quoi sert une machine simple ?

Une machine simple est un mécanisme qui permet de modifier l'action d'une force. Elle ne crée pas d'énergie et ne fournit pas de force gratuitement. Elle permet surtout d'utiliser un effort de manière plus efficace.

Selon sa conception, une machine simple peut :

• réduire l'effort nécessaire pour déplacer une charge ;
• changer la direction d'une force ;
• transformer un mouvement pour le rendre plus utile ;
• augmenter la vitesse ou la précision d'un mouvement.

En revanche, une machine simple ne supprime jamais le travail à fournir. Lorsqu'elle diminue l'effort, il faut généralement déplacer la machine ou la charge sur une plus grande distance. Les lois de la mécanique restent toujours respectées.

Les six machines simples

Les scientifiques distinguent généralement six machines simples, qui constituent les bases de la mécanique.

• Le levier
• La poulie
• La roue et l'essieu
• Le plan incliné
• La vis
• Le coin

Chacune utilise un principe différent, mais toutes permettent de mieux transmettre les forces et les mouvements.

Des mécanismes présents partout

Les machines simples sont présentes dans une multitude d'objets du quotidien. Une brouette utilise un levier et une roue. Des ciseaux associent deux leviers. Un tournevis fonctionne grâce à la roue et à l'essieu. Une rampe d'accès est un plan incliné, tandis qu'un couteau est un exemple de coin.

Les machines modernes combinent souvent plusieurs de ces mécanismes. Une grue associe des poulies, un treuil et des leviers. Un vélo utilise des roues, des engrenages, une chaîne et plusieurs leviers. Un ascenseur ou un téléphérique reposent également sur ces principes mécaniques.

Les bases de toutes les machines

Les machines simples permettent de comprendre comment les forces sont transmises, transformées et utilisées. Elles montrent qu'un mécanisme bien conçu peut rendre un travail plus facile, plus précis et plus sûr.

Aujourd'hui encore, ces principes sont utilisés dans les véhicules, les outils, les appareils ménagers, les robots et les machines industrielles. Derrière les technologies les plus modernes se cachent toujours quelques mécanismes simples imaginés il y a plusieurs milliers d'années.

La vis est une machine simple qui permet de fixer solidement des objets, de soulever des charges ou de transformer un mouvement de rotation en un déplacement rectiligne. Utilisée depuis l'Antiquité, elle est aujourd'hui présente dans une multitude d'objets, des meubles aux machines industrielles, en passant par les véhicules et les outils du quotidien.

Le fonctionnement d'une vis

Une vis est constituée d'une tige cylindrique autour de laquelle s'enroule une rainure en spirale appelée filetage. Lorsque la vis tourne, ce filetage avance progressivement dans un matériau ou dans un écrou.

La distance parcourue par la vis pendant un tour complet correspond au pas de vis. Un petit pas de vis permet d'obtenir un déplacement plus lent mais une force plus importante, tandis qu'un grand pas permet un déplacement plus rapide.

La vis, un plan incliné particulier

D'un point de vue mécanique, une vis est un plan incliné enroulé autour d'un cylindre. Au lieu de déplacer directement un objet en ligne droite, la rotation transforme progressivement le mouvement en un déplacement précis.

Ce principe permet d'exercer de grandes forces avec un effort limité. C'est pourquoi une petite rotation d'une poignée peut par exemple serrer fortement deux pièces métalliques ou soulever une charge importante.

Les utilisations des vis

Les vis sont utilisées dans de nombreux domaines. Elles permettent d'assembler des pièces en bois, en métal ou en plastique, mais elles servent aussi dans les presses, les étaux, les crics automobiles et certains systèmes de levage.

Dans un cric automobile, par exemple, la rotation d'une manivelle fait avancer une vis qui soulève progressivement le véhicule. Un petit effort appliqué plusieurs fois permet ainsi de déplacer une charge très lourde.

Le choix d'une vis

Toutes les vis ne sont pas identiques. Leur longueur, leur diamètre, leur forme de tête et leur type de filetage sont choisis selon l'utilisation prévue.

Une vis à bois possède un filetage adapté pour pénétrer dans les fibres du bois. Une vis destinée au métal doit au contraire être suffisamment résistante pour supporter les efforts et les vibrations.

Les fabricants choisissent également les matériaux de fabrication afin d'obtenir une bonne résistance mécanique et une protection contre la corrosion.

Les frottements et le rendement

Le fonctionnement d'une vis dépend fortement des frottements entre le filetage et les pièces en contact.

Dans certains cas, ces frottements sont utiles : ils empêchent une vis de se desserrer toute seule sous l'effet des vibrations. Dans d'autres mécanismes, ils sont réduits grâce à des lubrifiants ou à des systèmes de roulement afin d'améliorer le rendement et de limiter l'usure.

Les vis de précision

Certaines vis sont conçues pour déplacer des pièces avec une très grande précision. Les microscopes, les machines-outils, les imprimantes 3D ou certains robots utilisent des vis de précision capables de réaliser des déplacements extrêmement fins.

Dans ces systèmes, chaque rotation correspond à un déplacement parfaitement contrôlé. Cette précision est indispensable dans les domaines scientifiques et industriels où quelques fractions de millimètre peuvent être importantes.