Ils sont forts des romains!

Ils sont forts ces
Romains !
Atelier scientifique du Collège Montagne Noire
Chemin de Bellegarde 81290 LABRUGUIERE
Mr GUILLAUME Gérald (Technologie)
Mme LEBARBIER Marie-Paule (SVT)
1 - Présentation de la problématique :
La séance commence par la projection d'un film retraçant l'historique de la construction du
Colisée à Rome. Lien du film : Bâtisseurs de génie – Rome.
Le film met en place la taille du colisée et les moyens de construction de l’époque. Le Colisée
mesure à l’extérieur 189 m de long et 156 m de largeur, avec une superficie de 6 ha. La hauteur
de la paroi extérieure est de 48 m. Le périmètre d'origine mesure 545 m. L'arène centrale est un
ovale de 86 m de long et 54 m de largeur, entourée par un mur de 4,5 m de hauteur, qui s'élève
jusqu'au niveau des premiers gradins. Il est construit entre autre à partir de blocs de travertin,
pierre calcaire, montés sans mortier mais reliés entre eux par des agrafes de fer. Certains blocs
de pierre pèsent environ 2500 kg
Le film va s’arrêter sur le commentaire suivant à 6mn23 du début de la vidéo:
Comment les romains ont-ils fait pour hisser des blocs dont certains pèsent 2500 kg à
plus de 50 mètres de hauteur ?
2 – Émettre des hypothèses pour répondre au problème scientifique :
Chaque élève complète une carte d’exploration. On écrit autour du problème toutes les
hypothèses possibles pour résoudre notre problème.
Voici nos idées :
des poulies
un bras de levier
des pentes
un moulin qui enroule une corde
démultiplication des forces
des roues
des engrenages
la force humaine
l'air
l'eau
la vapeur d'eau
Après mise en commun et discussion autour des hypothèses formulées, trois hypothèses seront
retenues.

Avec des poulies

Avec des engrenages

Avec un moulin











À partir de là, trois groupes d’élèves vont se mettre en place pour travailler chacun sur une des
trois hypothèses énoncée :
 Hypothèse, ils ont soulevé les blocs avec des engrenages:
 Hypothèse, ils ont soulevé les blocs sur les poulies
 Hypothèse, ils ont soulevé les blocs avec un moulin.
Premier groupe : hypothèse avec des engrenages:
« Je suppose que les engrenages peuvent multiplier la force humaine. »
Descriptif de l'expérience :
Nous allons mettre des engrenages du plus petit au plus gros et vérifier si la force du départ
est plus grande ou plus petite que la force obtenue à l'arrivée
Deuxième groupe : hypothèse sur les poulies
« Je suppose que les poulies peuvent multiplier la force humaine. »
Descriptif de l'expérience :
Nous allons commencer par utiliser une poulie et voir si on arrive à démultiplier la force
humaine. Pour cela on va utiliser des masses que l'on va accrocher à une corde.
Est-ce que une petite masse de
500g peut soulever une masse
plus lourde de 2Kg ?
Troisième groupe : hypothèse avec un moulin.
« Je suppose que le moulin va pouvoir nous aider à soulever des masses importantes »
Descriptif de l'expérience :
Une corde va s'enrouler autour de l'axe de la roue du moulin. Cette corde va passer par une
poulie pour soulever la charge.
3 – Vérifier les hypothèses par l’expérimentation :
Premier groupe : hypothèse avec des engrenages:
« Je suppose que les engrenages peuvent multiplier la force humaine. »
Expérience :
Commentaire :
On observe que les masses suspendues sur le premier engrenage et sur le dernier
engrenage sont les mêmes. Dans notre manipulation, on peut constater qu'une petite masse en
entrée du système ne pourra pas soulever une masse plus importante en sortie du système.
Conclusion :
Les engrenages permettent de transmettre, de multiplier ou de diviser un mouvement mais
pas de multiplier des efforts. Notre hypothèse ne résout pas à notre problème.
Deuxième groupe : hypothèse sur les poulies
« Je suppose que les poulies peuvent multiplier la force humaine. »
Expérience 1:
Commentaire :
Dans notre manipulation on peut s'apercevoir qu'une poulie ne
permet pas de multiplier l'action d'une masse suspendue. En effet on
peut constater qu'il faut la même valeur de chaque côté de la poulie
pour obtenir l'équilibre.
Il faudrait de nombreux romains suspendus à la corde d'une
poulie pour pouvoir soulever une pierre de 2500 Kg.
Conclusion :
La poulie seule ne suffit pas, nous allons essayer avec plusieurs
poulies ou une combinaison de poulies.
Avec une seule poulie
Troisième groupe : hypothèse avec un « moulin ».
« Je suppose que le « moulin » va pouvoir nous aider à soulever des masses importantes »
Expérience :
La petite masse et la grande sont en équilibre.
Action : La petite masse soulève la grande masse
Commentaire :
On peut s'apercevoir :
1. une petite masse permet d’équilibrer une masse plus importante.
2. lorsque l'on déplace la petite masse sur le levier jaune, on l'éloigne de l'axe, la petite
masse soulève la grande.
Conclusion :
Le système utilisant un levier peut être retenu pour permettre à un romain de soulever une
pierre de 2500 Kg.
Mais quelle est la différence entre la masse et le poids ?
Pourquoi parle-t-on de forces exercées ?
Le poids (P) dépend de la gravité.
La gravité (g) est différente selon l’endroit où l’on se trouve : la Terre, la Lune, Mars, près de la
mer, en altitude…. On considère que sur Terre elle est égale à 9.8 soit 10.
La formule qui relie le poids (P) et la masse (m) est :
P=mxg
En Newton
En Kg
Dans nos expériences, nous avons pris une masse de 500g = 0.5Kg.
Donc P = 0.5 x 10 = 5N
Le poids correspond donc à la force exercée par cette masse de 5N.
On représente une force par une flèche. Elle montre le sens vers où va la force et la longueur de
la flèche indique l’importance de la force. Plus la flèche est longue, plus la force exercée est
importante.
4- Nous retenons donc 2 systèmes pour résoudre notre problème. Étude de ces systèmes

Avec des poulies, des palans

Avec un moulin, un bras de levier
Première étude hypothèse avec plusieurs poulies, des palans:
Nous avons vu que plus il y a de poulie en jeu, plus la masse nécessaire pour soulever 500gr est
faible mais par contre plus la longueur de ficelle à déplacer est longue
Modèle avec 3 poulies (palan)
Pour mieux « sentir » et comprendre le système des poulies, nous avons exercé notre propre
force !
C
B
B’
C’
Principe du tir à la corde :
2 bâtons sur lesquels est
enroulée une corde.
Le bâton sont tenus par 2
élèves (BB’):
2 élèves exercent une force
sur un bâton (CC’).
1 élève tire sur la corde dans
l’autre sens. (Flèche rouge)
Le but : l’élève tirant sur la
corde doit obliger les 2 bâtons
à se rapprocher, contrant
ainsi la résistance des 2 x
deux élèves.
Plus on augmente le nombre de tours de corde, plus il est facile de déstabiliser les élèves qui tiennent les
bâtons et cela qu’elle que soit la masse des élèves.
Tout le monde a essayé, et on a bien ressenti que plus il y avait de tours de corde, plus il est facile de
déplacer une masse.
Comme pour les poulies !
Les explications de Grégoire.
Croquis permettant de comparer la poulie avec le tir à la corde.
Deuxième étude par le calcul, le « moulin », le bras de levier :
La bascule permet d’illustrer et de comprendre plus facilement la notion de bras de levier
Problème :
Où doit s’asseoir le père afin que l’enfant puisse soulever le père et qu’il puisse jouer ?
Recherche du point d’équilibre
Après des essais avec différentes masses :
Découverte de la formule du mouvement
Mesure des distances
Une remarque de Clément
Suite à ce calcul Clément pose la question suivante : "
C'est bien beau tout cela mais comment on fait quand le levier
est arrivé en bas, quand il touche le sol ?"
Pour trouver la réponse, on projette un bas-relief trouvé
dans la tombe d'un maçon romain.
Sur ce bas-relief on distingue nettement des ouvriers, des
palans et, une roue.
La réponse de Clément est là !
Après observation de la roue utilisée par les Romains,
représentée sur le bas-relief, nous décidons d’essayer de la
réaliser avec des objets simples afin d’éprouver la
Expérience :
compréhension du système observé.
Nous prenons un petit seau pour faire la roue (tant pis pour
le seau !).
Nous perçons le seau en son centre et on y rentre un tube en
plastique. Nous regardons que le seau et le tube tournent
ensembles et sont donc bien solidaires.
On fixe une poulie sur un support. On attache la corde à une
extrémité du tube, on passe la corde par la poulie et on
accroche une masse de 500g.
Notre système est déséquilibré d’un côté et nous sommes
obligés d’appuyer sur l’autre extrémité du tube afin de faire
contre poids.
Ruben propose de mettre 2 poulies et 2 cordes : « on attache
une corde à chaque extrémité du tube et le système sera en
équilibre » Exécution et ça marche.
Grégoire et Simon explique : « On a vu que plus on met de
corde, moins la masse est lourde. Si on soulève une masse avec
Notre système rudimentaire
2 cordes, on divise par 2 la masse à soulever. Chaque corde
fonctionne et maintenant tout le
porte la moitié de la masse. »
monde se représente bien le
Chaque élève manipule la roue afin de « sentir » qu’il faut
système réalisé par les
peu de force pour soulever la masse.
Romains !
On augmente les masses et on sent bien que la force exercée
par la main reste faible.
De la balance à la roue :
Plus on éloigne la masse de l’axe, plus le mouvement exercé par la roue soulève la masse accrochée au
bout de la corde (que l’on ne voit pas sur les photos). Mais notre axe sur lequel s’enroule la corde a un
rayon trop petit pour bien observer la différence des mouvements.
Et par le calcul !
Si comme les Romains, on utilise une roue de 4m de diamètre, quelle charge peut soulever
un homme de 80 Kg ?
Pour une roue de 17 cm de diamètre, soit 8.5 cm de rayon, il faut une masse de 20 g pour
soulever une masse de 500g, soit 500/20 = 25 fois plus lourd.
Donc avec une roue de 4m de diamètre soit 2m de rayon, un homme de 80Kg peut
soulever 80 X 25 = 2000Kg
Conclusion :
Donc pour soulever une pierre lourde, il faut utiliser 2 systèmes :
Une roue : Plus le rayon de la roue est important plus le piéton peut soulever de lourdes
charges en fournissant un effort minimum.
Des poulies : La masse a soulevé est divisée par le nombre de poulies que l’on met.
La représentation du mouvement exercé par le
bonhomme (piéton) sur la roue.
||M roue|| = ||F piéton|| X R roue
M1 = « Mouvement » due à la force exercée
F = force exercée par le piéton
R = rayon de la roue
Comme pour la balançoire, plus le rayon de la roue
est grand, plus la force exercée par le piéton peut
être faible pour soulever une même masse.
5 – La fabrication de notre machine de levage
Suite à toutes nos expériences, nous avons fait ensemble un croquis de la machine. Nous
avons fait ressortir les contraintes à respecter sur notre maquette pour utiliser le bras de levier,
les poulies, pour déterminer les différentes dimensions afin d’établir un mini cahier des charges
fonctionnel permettant de réaliser une maquette réaliste.
La représentation schématisée de notre système avant la construction au 1/10ème.
La conception de la roue :
Avec le logiciel SolidWorks nous avons
réalisé une représentation 3D en utilisant
comme échelle 1/10ème Soit un diamètre de
400 mm pour la roue. (Nous avons pris
pour base de notre conception, la taille
d’un romain à l’intérieur de la roue.)
La réalisation de la roue
Les 2 côtés de la roue de 400 mm de diamètre,
sont réalisés avec des lattes de samba. Les lattes
sont cintrées sur une forme circulaire (voir image
ci-dessous) et collées. (lamellé-collé).
La partie centrale, dessinée avec SolidWorks par
notre professeur et ensuite réalisée avec
l’imprimante 3D
Ce moyeu va maintenir l’axe et les rayons de la
roue.
Un coté de la roue avec son moyeu et ses rayons.
La réalisation du moyeu de l’axe de la roue :
Vue 3D du moyeu avant impression
Impression du moyeu
Pour toutes les pièces nous avons utilisé comme référence le dessin 3D SolidWorks de
notre machine. Celle-ci a été réalisée par notre professeur à partir des choix de conception fait
en classe. Nous avons dessiné avec notre professeur quelques pièces simples (roue, rayons, …).
Maquette numérique de la machine de levage.
Situation de notre projet.
A l’heure actuelle nous poursuivons la réalisation de notre maquette en espérant pouvoir
ensuite démontrer concrètement les résultats de notre étude.
Nous pourrons ainsi démontrer que les romains ont réussi à soulever les blocs nécessaires
à la réalisation du colisée avec un engin de levage utilisant :

Des poulies, des palans et des cordes,

Une roue mettant en valeur le bras de levier.
Résumé du projet « Ils sont forts ces romains !»
Public concerné :
Le collège Montagne Noire est un collège de 490 élèves situé n milieu rural, en zone
d’éducation prioritaire.
La population est très hétérogène avec des enfants de milieu socio culturel faible
pour qui l'école est le seul moyen d’ouverture vers différents projets culturels. Cette
ouverture est amenée à travers les axes du projet d'établissement, soit dans les classes
(Classe CHAM) ou par le biais d'ateliers (Chorale, Photo et cinéma, scientifique...)
L’atelier scientifique est ouvert à tous les élèves du collège. Cette année, nous avons
10 élèves de 6° et 5° inscrits, à raison de 1h par semaine.
But de l’atelier « Ils sont forts ces Romains ! »
Le but était d’amener les élèves à partir d’un problème simple, de retrouver par
l’observation, la manipulation, la confrontation des idées les notions de multiplication de
forces.
Comment à l'époque romaine a-t-on réalisé des monuments du type Colisée,
comment a-t-on fait pour hisser des blocs de plusieurs tonnes à des hauteurs
impressionnantes ?
Le point de départ de l'AST sera une vidéo sur la construction du Colisée, retraçant
les énergies disponibles à cette époque.
Les élèves se retrouvant confrontés au même problème que les Romains.
Objectifs pédagogiques:
S’approprier la démarche scientifique étudiée en classe dans une situation concrète,
en laissant les élèves se questionner, se tromper, confronter leurs idées, chercher
ensemble des solutions.
Cette démarche prend du temps et est souvent fractionner lors des apprentissages
en classe alors qu’ici elle est appréhender dans sa totalité et avec du sens. L’erreur n’est
plus un obstacle et synonyme de « mauvaise note », mais au contraire mobilisée et utilisée
pour aller de l’avant.
Les enseignants sont là pour cerner les questions, apporter des pistes ou des
documents, relancer les discussions afin que les élèves progressent sans se décourager.
Tout en jouant et en manipulant les élèves découvrent des notions de mécanique et
retrouvent des formules qu’ils n’étudieront qu’en lycée : les forces, les mouvements, la
transmission…
Objectifs transversaux :
Découverte et réinvestissement des notions vues en technologie, physiques et
mathématiques et histoire.
Lien avec le parcours de découverte des métiers et formations : Tout au long du
projet, nous avons ouvert des discutions sur différentes études et métiers portant sur ce
thème.
Les Compétences du socle commun sont mises en pratiques :
Compétences sociales et civiques :
 Retrouver les capacités de chacun que l’on met au service de tous.
 Partage et entraide.
 S’écouter, se respecter.
 Critiquer.
Les Compétences du socle commun sont mises en pratiques, suite :
Compétences liées aux sciences et mathématiques :
 Chercher des réponses ou des solutions à des problèmes d'ordre technique ou
scientifique.
 Rechercher, extraire et organiser l'information utile.
 Se donner des méthodes de travail efficaces.
 Mobiliser des acquis en sciences et mathématiques, ainsi que des notions de
physiques inconnues pour le moment chez ces élèves de 6°, 5°.
 Notion d’échelle.
 L’usage des Tices : Utilisation de moyens technologiques : Logiciels …., imprimante
3D.
 Notion de mesures : La masse et le poids. Notion de gravité. Les unités de mesure.
 Histoire des sciences et technologie.
Le projet :
Situation d’entrée : soulever des blocs lourds en utilisant les moyens de l’époque.
Histoire des moyens techniques existant à cette époque et comparaison avec l’actuel.
Formulez des hypothèses sur une carte d’exploration : cette représentation en cercle
autour de la problématique amène les élèves à émettre un maximum d’idées, beaucoup
plus que lorsqu’on leur représente en ligne.
Valider les hypothèses par des expériences simples. Toutes les hypothèses sont discutées
puis celles qui sont retenues sont validées ou non par les expériences.
Lors des expériences, il est important de bien cibler ce que l’on veut prouver ; les élèves
travaillant sur les engrenages, avaient ajouté engrenage et poulies. D’où une discussion
autour de leur réalisation afin que chacun comprennent l’intérêt de bien cerner ce que
l’on veut vérifier.
Le rôle des enseignants a été d’amener des notions sous forme de jeux concrets et bien
connus des élèves:
 le jeu de la balançoire pour amener la notion de bras de levier.
 Le jeu du tir à la corde afin d’amener la notion de poulies, de palan.
À partir des différentes observations sur ces jeux, ils ont pu faire le cheminement et
transposer sur des systèmes mécaniques concrets apportant la solution à leur problème,
et retenir 2 solutions.
Évaluation du projet :
La réalisation de la maquette à l’échelle.
À partir de l’observation et des expériences effectuées, pourra-t-on soulever une
masse lourde grâce à la force d’un seul homme ?
Il est toujours étonnant de voir que ces très jeunes élèves qui n’ont aucune notion de
physique, peuvent intégrer et restituer à tout moment du projet ces notions difficiles.
Certains de ces élèves ont même eue des questions très pertinentes que nous n’avons
pas traitées par manque de temps, comme les forces de frottements, la position de la poulie
par rapport à la roue, le diamètre de l’axe de la poulie et le mouvement appliqué par la
corde qui s’enroule sur cet axe…