Une poulie est une machine simple, c'est-à-dire un dispositif de mécanique élémentaire.. Elle est constituée d'une pièce en forme de roue servant à infléchir un mouvement de translation. La poulie est utilisée avec une courroie, une corde, une chaîne ou un câble ; la forme de la jante est dictée par les cas d'utilisation.
En nautisme à voile, on appelle parfois poulie, ce qui est, en fait, un moufle contenant une poulie à gorge; cette poulie à gorge est alors appelée réa ; la chape (la partie fixe) composée de deux joues est parfois équipée d'un anneau métallique destiné à frapper un cordage; l’anneau en question est appelé le ringot. Il existe des poulies simples, ou à réas multiples.
Invention La plus ancienne représentation connue d'une poulie se trouve sur un bas-relief assyrien daté de 870 avant notre ère. Le mécanisme est évoqué et décrit par Héron d’Alexandrie au dans son ouvrage (Mechanikè - trois livres sur les moyens de soulever des objets et sur leur centre de gravité).
Efficacité mécanique 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 est déplacée d'une distance , le travail fourni pour la déplacer est égal à . 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 (différent de ), la force appliquée vérifie soit : .
Le rapport :
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 une moufle est distribuée entre les différents brins traversant la moufle ( schémas ci-après).
On parle aussi d'avantage mécanique pour désigner le rapport entre les deux forces.
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 gorges, 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 flasques pour maintenir la courroie.
Domaine automobile et motocycliste Les premières motos des années 1910 ont souvent utilisé une courroie de transmission secondaire entre la boîte de vitesses et la roue arrière, portant une poulie de faible diamètre, ou la transmission directe entre le moteur et la roue, avec une immense poulie sur jante. Toutefois, la courroie était sujette à diverses faiblesses : rupture, patinage par projection d'huile ou temps de pluie, perte de puissance par échauffement, limitation de la puissance transmissible par rupture, qui a finalement fait préférer la chaîne à rouleaux (dite chaîne Galle) voire courroie crantée.
Avec l'apparition de fibres composites et de polymères modernes, la transmission par poulie et courroies est revenue en faveur sur les motos actuelles (sur des machines de tourisme calmes ayant un couple moteur important, comme les Harley Davidson, ou sur nombre de scooters modernes). Le patinage est éliminé par l'emploi de poulies à gorge et de courroies crantées.
Sur beaucoup de cyclomoteurs, notamment français, la courroie trapézoïdale est restée en faveur pour la transmission primaire entre le moteur et le variateur, une boîte de vitesses automatique.
Un exemple classique d'utilisation de poulie avec courroie est la démultiplication variable des moteurs de cyclomoteurs et de scooters, notamment les célèbres mobylettes de la firme Motobécane. Le réa de la poulie moteur comporte un flasque fixe et un flasque mobile permettant d'en faire varier le diamètre pratique d'enroulement grâce à un système centrifuge de masselottes et de billes, similaire à un variateur de vitesse mécanique mais où le déplacement du moteur sert à compenser la variation de diamètre de la poulie (systèmes brevetés sous les appellations (mobymatic, dimoby).
Ce système a été ensuite utilisé par des constructeurs automobiles (DAF, Ford Fiesta) sous l'appellation Variomatic ou CVT (de l'anglais ).
Les auxiliaires d'un moteur automobile sont souvent entraînés par poulies et courroies : ventilateur de refroidissement, alternateur ou dynamo, pompes (climatisation, à eau, à huile de direction assistée), leur tension et leur remplacement doivent faire l'objet d'un entretien périodique rigoureux.
L’entraînement des arbres à cames par poulies crantées et courroies crantées s'est généralisé à partir des années 1990 dans le domaine motocycliste (Ducati Pantah) et automobile (moteur Ford Pinto), c'est un système silencieux et efficace mais le remplacement régulier de la courroie est obligatoire à intervalles réguliers sous peine de graves dégâts à la culasse et au système de soupapes.
Sur nombre de voitures modernes, les poulies à gorge et les courroies à section trapézoïdale sont remplacées par des poulies à jantes plates (striées dans le sens tangentiel) et des courroies plates (à face intérieure striée). De plus, pour diminuer les à-coups de transmission et les séquences de maintenance, la poulie motrice incorpore un amortisseur de transmission (souvent en blocs de caoutchouc) serti dans le moyeu, tandis que la tension de courroie est confiée à un tendeur automatique. Ces poulies dites « poulie-damper » (de l'anglais : amortisseur) sont toutefois beaucoup moins durables que les poulies en acier plein et doivent être contrôlées (et éventuellement remplacées) en cas de claquement anormal.
Domaine industriel Les usines de la fin et du début (première Révolution Industrielle) présentaient un aspect caractéristique, qui survit encore sur les icônes cartographiques et les panneaux signalétiques : ligne de toiture en dents de crocodile (en langage d'architecte, une toiture à Sheds, du mot anglais shed - remise, hangar -) et immense cheminée en brique à l'extrémité, qui s'explique par le mode d'entraînement des machines-outils.
Cette architecture s'explique par la présence à une extrémité d'une unique machine à vapeur, très lourde, très encombrante, avec sa chaudière à charbon et sa cheminée, dont le volant moteur porte une poulie menante, qui transmet, via de longues courroies plates sa puissance à une cascade d'arbres transversaux portant des poulies, logées en hauteur, au niveau des dents de crocodile de la toiture. De là d'autres poulies et courroies, descendant du plafond, entraînaient les machines outils à chaque poste de travail. Ces dizaines de courroies et de poulies constituaient autant de risques d'accident du travail, en happant vêtements, bras ou main. Indirectement, ces poulies et courroies sont responsables de la mode de la coiffure « à la garçonne » des années 1920 plus adaptée au monde du travail.
Durant la première guerre mondiale, les femmes avaient remplacé les hommes dans les usines d'armement (obusettes, munitionettes) et les cheveux coupés court, ou serrés en un chignon compact étaient une façon d'éviter les accidents avec ces redoutables « pièges à chevelure ».
Le même genre de systèmes d'entraînement (avec les mêmes risques) a existé au début du machinisme agricole pour entraîner une batteuse ou un autre ustensile par la poulie motrice d'une locomobile.
Poulies simples vignette|Poulie de puits en Casamance. 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.
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.
Démonstration physique On va successivement considérer deux systèmes: le premier constitué d'une poulie simple à laquelle est pendue une masse M (dessin ) et le second constitué d'une poulie mobile lestée d'une masse M (dessin ).On considérera que la corde et la poulie ont une masse négligeable et que les mouvements se font sans frottements.
Premier cas : système = {masse M} : Cette masse est soumise à deux forces : son poids et la tension de la corde . Le système est en ascension à vitesse constante, donc l'accélération est nulle. On a alors : en vecteur : , et en valeur : .
Étant donné l'absence de force non-conservative, on peut écrire que :
(où les travaux des forces extérieures et le gain d'énergie cinétique du sceau pendant son ascension).
⇔ (ici car la vitesse est constante).
⇔ (on lève la masse d'une distance en tirant la corde sur une distance ).
⇔
Deuxième cas : système = {masse M} : Cette masse est soumise à trois forces : son poids , la tension de la corde et la résistance du support. Le système est en ascension à vitesse constante, donc l'accélération est nulle. On a alors : en vecteur et en valeur .
Étant donné l'absence de force non-conservative, on peut écrire que :
(où les travaux des forces extérieures et le gain d'énergie cinétique du sceau pendant son ascension).
⇔ (ici car la vitesse est constante).
⇔ (on lève la masse d'une distance en tirant la corde sur une distance , le support ne bouge pas, il ne travaille donc pas).
⇔
Donc d'après (1) et (2) :
soit :
Or, dans le cas de la poulie mobile la masse est supportée avec la même force par le support d'une part et la personne qui tient la corde d'autre part donc . Et dans le premier cas, on avait
Donc
Alors d'après (3) :
En bref, dans le cas d'une poulie mobile, la répartition du poids en une tension qui travaille et une réaction d'un support immobile (qui ne travaille pas), permet donc de diviser la tension à appliquer par deux à condition de multiplier également par deux la distance de traction, et ce, afin que le travail total et ainsi l'énergie transférée au système restent les mêmes.
Poulies composées
Quand on utilise des systèmes de plusieurs poulies qui travaillent ensemble, on dit qu'on a une configuration de poulies composées.