Technologie/Systèmes de manutention/Poulies et palans

Systèmes de manutention

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Poulies

Une poulie hâvraise sur un voilier.

Une poulie est une machine simple, c'est-à-dire un dispositif mécanique élémentaire. Elle est constituée d'une pièce en forme de roue servant à la transmission du mouvement. La poulie est utilisée avec une courroie, une corde, une chaîne ou un câble, la forme de la jante étant adaptée aux cas d'utilisation. On donne parfois (voile) le nom de poulie à une moufle contenant une poulie à gorge, laquelle prend le nom de réa, la chape (la partie fixe) composée de deux joues est parfois équipée d'un anneau métallique destiné à frapper un cordage, le ringot. Il existe des poulies simples, ou à réas multiples.

Efficacité mécanique d'une poulie

Une poulie (ou un système de poulies) peut avoir différents usages. Une application immédiate consiste à pouvoir déplacer une charge dans une direction différente de celle d'application de la force. Cependant, il est également possible de démultiplier la force de levage en jouant sur le déplacement différentiel des éléments qui composent le système. Le principe, très simple, s'explique par la conservation du travail au sein du système (en l'absence de frottements). Lorsque la charge $F_{0}$ est déplacée d'une distance $u_{0}$, le travail fourni pour la déplacer est égal à $F_{0}u_{0}$. Il est nécessairement égal au travail de la force appliquée à l'autre extrémité de la corde. Ainsi, si l'autre extrémité a été déplacée de $u_{1}$ (différent de $u_{0}$), la force appliquée $F_{1}$ vérifie $F_{0}u_{0}=F_{1}u_{1}$ soit

$F_{1}={\frac {u_{0}}{u_{1}}}F_{0}$

Le rapport

${\frac {u_{1}}{u_{0}}}={\frac {F_{0}}{F_{1}}}$

est appelé rapport de démultiplication. La conception d'un système de poulies vise simplement à augmenter le plus possible ce rapport, en multipliant la longueur de corde nécessaire pour déplacer le point d'application de la charge.

Une autre explication utilise la mécanique statique pour observer que la charge appliquée sur un moufle est distribuée entre les différents brins traversant le moufle (cf. schémas ci-après).

Utilisation des poulies avec une courroie

Il y a généralement deux poulies et une courroie (et parfois un galet tendeur). Le profil d'une poulie dépend de la courroie utilisée. Avec une courroie courbée, la poulie est une simple roue avec des arrondis sur son profil (pour maintenir la courroie). Avec une courroie plate, la poulie a une (ou plusieurs) gorge(s), ce qui réduit le glissement. Et avec une courroie synchrone, qui est dentée, la poulie est elle aussi également dentée. Les poulies pour les courroies synchrones peuvent se présenter sans ou avec un (ou deux) flasque(s) pour maintenir la courroie.

Utilisation des poulies avec une corde ou un câble

• 
  Poulie simple fixe (rapport 1).
• 
  Poulie simple mobile (rapport 2).
• 
  Poulies composées (rapport 3).
• 
  Palan composé de deux moufles (rapport 4).

Poulies simples

Il existe beaucoup de manières d'utiliser les poulies. Quand on emploie une seule poulie pour faire un travail, on dit qu'on a une configuration de poulie simple.

Poulie simple fixe

Le déplacement d'une charge est le cas d'utilisation le plus courant d'une poulie : une charge est accrochée à une extrémité d'une corde passant par une poulie fixée à un support, en exerçant une force suffisante à l'autre extrémité, on déplace la charge. Cette configuration est appelée poulie simple fixe.

Une poulie simple fixe n'a l'avantage mécanique que de pouvoir exercer la force dans une direction différente à celle du déplacement, la force qui doit être appliquée est la même que celle qui est requise pour déplacer l'objet sans la poulie.

Le point d'ancrage doit supporter la force nécessaire au déplacement de l'objet plus la force de traction, soit environ deux fois cette force. En cas de levage — point d'ancrage au-dessus de la charge — cette force correspond au poids de l'objet. (Selon la direction de traction, on appelle cela l'« effet poulie », bien connu des alpinistes.)

Poulie simple mobile

Une autre façon d'utiliser une poulie est de la fixer à la charge, de fixer une extrémité de la corde au support et de tirer avec l'autre extrémité, pour déplacer à la fois la poulie et la charge. Cette configuration est appelée poulie simple mobile ou poulie inversée.

La poulie simple mobile permet de réduire la force nécessaire au déplacement de moitié (le point d'ancrage supportant l'autre moitié), mais nécessite un déplacement de l'extrémité de corde tirée du double de la distance du déplacement de la charge.

Poulies composées

Quand on utilise des systèmes de plusieurs poulies qui travaillent ensemble, on dit qu'on a une configuration de poulies composées.

La configuration de poulies la plus commune est le palan : les poulies sont distribuées en deux groupes (moufle), l'un fixe, l'autre mobile. Dans chaque groupe on installe un nombre arbitraire de poulies. La charge est unie au groupe mobile.

Dans la marine

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une poulie sert au cordage

Dans la construction

La machine de Domenico Fontana qui permit de redresser l'Obélisque du Vatican le 30 avril 1586. Cent soixante chevaux attelés à quarante cabestans, et neuf cents hommes marchant au son de la trompette et s'arrêtant à celui de la cloche, enlevèrent l'immense bloc, et le laissèrent retomber sur son piédestal.

On a fait longtemps usages de cordes et de poulies dans la construction, dans des machines simples ou complexes. L'usage des cordes dans la construction tend à disparaître au profit des Câble de tractions en acier utilisés dans les treuils mécaniques et grues à Tour. Toutefois il a existé une grande tradition de cordage dont témoigne un vocabulaire riche pour la décrire. Les cordes et poulies sont utilisées dans le bardage des pierre, dans les « machines » et « engins » de levage: (grues, gruaux, chèvres, vindas).

Palan

Palan

Un palan est un mécanisme de transmission du mouvement constitué de deux groupes (ou moufle), l'un fixe, l'autre mobile, contenant chacun un nombre arbitraire de poulies, et d'une corde qui les relie. Il sert à réduire l’effort nécessaire (ou démultiplier la force utilisée) pour rapprocher les deux groupes de poulies. On en utilise par exemple pour soulever des objets lourds, ou bien en voile sur un bateau pour border les voiles.

On mesure le taux de démultiplication au nombre de brins, c'est-à-dire le nombre de passages que fait la corde entre les deux groupes de poulies. L'effort nécessaire au final est divisé par le nombre de brins, tandis que la longueur de corde à tirer pour rapprocher les groupes de poulies est multipliée d'autant. La partie de la corde sur laquelle l'on tire (entre les mains et la poulie du haut) pour soulever la charge s'appelle le garant.

Différents types

• 
  Palan à quatre brins : décomposition de la charge entre les brins.
• 
  Palan différentiel.

• Palan simple : composé d'un moufle ;
• Palan différentiel : composé de deux courroies ou cordes qui se croisent en une poulie à deux diamètres différents ;
• Palan de Verlinde : première application en 1918, par le constructeur français Verlinde, du palan et du treuil électrique.

Moufle

Une (ou un) moufle (muffula en latin médiéval) est un dispositif mécanique qui permet le levage d'une charge par plusieurs brins de câble, afin de démultiplier l'effort de traction.

Moufle utilisé sur le Mercator

Principe

Un palan est constitué d'une moufle supérieure fixe portant les poulies de renvoi et d'une moufle inférieure mobile supportant la charge.

• cas le plus simple : deux poulies, une poulie fixe et une poulie mobile ; la démultiplication est de deux.
• cas de plusieurs poulies mobiles : la démultiplication correspond au nombre de brins — donc au nombre total de poulies (fixe et mobiles) pour un palan. Par exemple, dans un mouflage à quatre brins, la tension du câble est de l'ordre du quart de la charge à lever (aux effets géométriques et dynamiques près) et la longueur de câble enroulée est de l'ordre de quatre fois la course de levage.

La moufle inférieure est constituée :

• d'une structure supportant une ou plusieurs poulies,
• généralement de dispositifs empêchant le désengagement du câble ou retenant la poulie en cas de rupture d'axe,
• d'un axe vertical laissant la charge libre en lacet,
• d'une interface avec les accessoires de levage permettant la manutention de la charge (crochet, système de brochage...).

Mouflage

Mouflage utilisé en marine à voile

On appelle mouflage la figure formée par les brins de câble, entre tambours, points fixes, poulies de renvoi et moufle.

Pour des raisons de sécurité, on peut utiliser deux câbles distincts. On parle de mouflage croisé quand deux câbles suivent des cheminements voisins. Ils forment généralement une figure à 2 fois 4 brins : tambour - moufle - poulie de renvoi - moufle - palonnier de point fixe ou tambour. Les deux câbles sont repris par un palonnier d'équilibrage, articulé au point fixe, qui permet d'absorber les éventuels écarts de longueur des deux câbles.

Utilisation

• Soulèvement de charges par un pont roulant.
• Constitution d'un palan avec deux moufles.
• Les grues sont constituées d'un système de mouflage simple ou double
• L'armement d'arbalètes de forte puissance (Moyen Âge).
• Système de tension des caténaires