Principe du levier

Soulever un objet à bout de bras nécessite d'appliquer une force directement sur l'objet. La force musculaire doit être dirigée vers le haut et son intensité (mesurée en Newton) doit être supérieure à celle du poids de l'objet. Cela n'est possible que pour les objets légers.

Le levier est une machine simple qui modifie l'intensité et la direction de la force à appliquer pour déplacer un objet. Il permet de minimiser l'effort à fournir pour soulever l'objet.

Un levier est une barre rigide qui se déplace autour d'un point d'appui (pivot). L'objet à soulever est placé sur la barre. Quand une force est judicieusement appliquée sur la barre, celle-ci pivote autour de son point d'appui. 

Archimède est le premier à découvrir ce principe au III^e siècle avant JC. et l'illustre avec sa célèbre phrase « Donnez moi un point d'appui et je soulèverai le monde » (Archimède, cité par Pappus - IV^e siècle).

• Comprendre le principe du levier ;
• Simuler les conditions d'équilibre d'un levier ;
• Identifier les trois types de leviers. 

Soulever et déplacer des objets lourds est un grand défi. L'Homme conçoit depuis longtemps des machines pour l'aider : des machines pour construire, pour transporter, pour se battre, etc.

Ces inventions reposent sur deux familles de machines simples : le plan incliné (non étudié ici) et les leviers.

Principe de fonctionnement du levier

Deux éléments sont nécessaires pour construire un levier : une barre et un pivot (point d'appui fixe).

L'objectif consiste à soulever un objet en déplaçant la barre autour du pivot.

Le poids de l'objet est une force résistante dirigée vers le bas. La force motrice est la force musculaire déployée pour compenser la résistance de l'objet. Elle se mesure en Newton (unité N). Une force motrice de 9,81 N permet de soulever une masse de 1 kg sur la Terre.  

Le levier est d'autant plus efficace qu'une faible force motrice permet de déplacer une très forte résistance. L'avantage mécanique est le rapport entre l'intensité du poids et celle de la force motrice.

On distingue trois types de levier selon la position des forces et du pivot :

• Le levier de type 1 (ou inter appui) : le pivot est placé entre les forces résistante et motrice qui appuient sur la barre (exemple de la catapulte ou du trébuchet).
• Le levier de type 2 (ou inter charge) : la force résistante s'applique entre la force motrice qui soulève la barre et le pivot (exemple de la brouette). 
• Le levier de type 3 (ou inter force) : la force motrice soulève la barre et s'applique entre la force résistante et le pivot (exemple du bras). Dans cette configuration, l'avantage mécanique est toujours inférieur à 1 (peu efficace).

Un peu de théorie

Si O est le point d'appui du pivot, A le point d'application de la force motrice d'intensité F_M et B le point d'application de la force résistante d'intensité P, alors l'équilibre de la barre est atteint lorsque :

OA × F_M = OB × P

Les distances OA et OB définissent les bras de levier de la force motrice et du poids (c'est la distance qui sépare le pivot du point d'application de la force).

Si OA × F_M > OB × P alors la barre pivote et l'objet se soulève. Deux cas sont possibles :

• L'intensité de la force motrice F_M est grande, son bras de levier OA est faible. 
• L'intensité de la force motrice F_M est faible, son bras de levier OA est grand. 

Ce deuxième cas est le plus intéressant, car l'avantage mécanique est supérieur à 1. L'intensité de la force à déployer pour déplacer l'objet est inférieure à celle du poids. L'effet de levier démultiplie la force motrice.