Les modules pédagogiques Le travail qui suit nous semble devoir

Les modules pédagogiques
Le travail qui suit nous semble devoir commencer par une réflexion sur les
machines, les forces, les techniques en général et leur histoire.
Dans la partie "Le contexte des séances", nous préciserons comment nous
envisageons ce travail.
"Une séance introductive" proposera des éléments de culture autour de
l'histoire des techniques avec une grande quantité d'illustrations mises dans
leur contexte historique : un montage diapo qui donne des éléments sur le
moyen-âge, les ingénieurs, les machines, et des rapprochements entre
machines du passé et machines du présent.
On y trouvera également une vidéo dont les images sont constituées des
pages de "l'art de la guerre" de Taccola (1432) accompagnée d'une musique
de Clément Janequin.
"La mesure" abordera la question si essentielle du passage de la subjectivité
du ressenti à l'objectivité de la mesure.
La partie "Les machines simples" décrit les séquences autour du plan
incliné, du levier et de la poulie : pour chacune de ces machines, la partie
"Comment ça marche" proposera à l'enseignant des éléments de physique
pour tenter de clarifier ce qui est en œuvre.
La partie "Les machines complexes" est pour l'instant vide : ce sera l'objet
d'un prochain chantier.
Vous pouvez télécharger un petit carnet de l'élève qui lui permettra de noter ses
observations pour les différents situations rencontrées.
Enfin, vous pouvez télécharger ci-dessous un petit film d'une séance en classe :
"Comment soulever une lourde charge" (dans un diaporama, il suffit de cliquer sur
la diapo noire).
Le contexte des séances
Le problème posé aux élèves est simple : « Soulever une lourde charge ». Ils
doivent donc réfléchir à un dispositif qui pourrait répondre au problème du levage.
1
Un pavé est placé sur la table devant un petit personnage et les élèves cherchent par
quel(s) moyen(s) il serait possible de soulever cette charge de 10 tonnes par
exemple.
Trois modules sont proposés dans les pages suivantes :
-
Soulever une lourde charge avec un plan incliné,
Soulever une lourde charge à l’aide d’un levier
Soulever une lourde charge avec les poulies.
Les élèves sont répartis en groupe de 4, ce qui constitue l’équipe idéale pour la
manipulation de la machine. Les rôles seront facilement répartis, par roulement :
manipulateur (le moteur), mesureur, vérificateur,….
Les séances durent en général une heure à une heure trente.
Il n’est pas nécessaire de travailler les 3 modules dans une même année :
c’est un travail qui peut être réparti au long du cycle 3.
2
INTRODUCTION A TOUS LES MODULES
1. Lever une pierre : ressentir avec son corps combien il est difficile, ou non,
de lever le pavé. Les élèves soulèvent le pavé en le posant sur la main puis en
le saisissant par-dessus et enfin en le prenant par le crochet. Soulever le pavé
a demandé un effort, les élèves essaient de conserver en mémoire l’effort
fourni, et de l’exprimer.
2. Comment se faciliter la tâche ? Un rappel rapide de ce qui a été vu dans
3
le diaporama :
« Pour lever des charges lourdes, par exemple de grosses pierres servant à
construire des édifices, les hommes de l’Antiquité et du Moyen-Age ont eu recours
à des procédés ingénieux dont le seul objectif était de rendre ce travail moins
pénible. On retrouve des traces écrites de ces procédés ingénieux dans des
carnets d’ingénieurs. »
La question que l’on se posera au cours de ce travail est de savoir si
l’utilisation d’une machine peut ou non rendre plus facile le levage d’une grosse
pierre.
Une séance introductive
Pour démarrer et introduire la problématique des machines, des forces à mettre en
œuvre et des solutions proposées depuis des siècles, il nous est apparu nécessaire de
disposer d'un support richement illustré sous forme de diaporama.
Ce document est téléchargeable ci-dessous (Diaporama Carnets...)
Nous avons également réalisé un montage video du manuscrit de Taccola dans sa
copie de Paolo Santini, "L'art de la guerre", dont les images défilent sur une chanson
de Clément Janequin (1485-1558), "La guerre" (ou "La bataille de Marignan"), chef
d’œuvre de la musique Renaissance, interprêté par l'Ensemble Hymna.
Pour télécharger ces documents, cliquer sur la flèche située à droite.
4
Les machines simples
Une machine est un dispositif qui permet d’amplifier ou de diriger une force.
On considère qu’il existe quatre machines simples :




le plan incliné
le levier
la poulie
la roue (et son arbre)
Dans ce travail, nous ne considérerons que les 3 premières
Le plan incliné
Ulrich BESSNITZER, 1486
Le plan incliné semble être une évidence : le fait de monter une pente douce ou une pente
raide a été exploité depuis l'Antiquité par les Hommes.
Ludwig LÄSSI
5
Dans cette partie, vous trouverez des éléments théoriques pour l'enseignant "Le plan incliné,
comment ça marche ?", ainsi qu'une proposition de séances en classe "Les séances"
A. Le plan incliné, comment ça marche ?
Tous les corps libres tombent en direction du sol suivant une direction appelée
"verticale du lieu" : ceci est du à la force d'attraction qui s'exerce en tous points de la
Terre. Les objets y sont soumis à une force verticale de pesanteur appelée "le
poids"(P).
Sur un plan horizontal, la force de la gravité est équilibrée par la force de réaction (R)
: l'objet est statique.
Si l'on pousse l'objet sur le côté, les frottements vont s’opposer au déplacement. C’est
la raison pour laquelle on plaçait des rondins sous les gros blocs de pierre que l'on
voulait déplacer dans l'Antiquité... et pour laquelle on place des roues sous les
voitures !
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Si on incline le plan, la force de gravité n’est plus totalement équilibrée par la
réaction. L’effort à fournir devra donc compenser cette force qui tire vers le bas du
plan, ajoutée aux frottements. Et bien entendu, plus la pente est importante, plus cet
effort sera important.
La pente est définie comme le rapport entre la longueur du plan incliné et sa
hauteur. Une pente de 0 % correspond au plan horizontal et une pente de 100 % au
plan vertical. Pour une pente de 50 %, un déplacement d’un mètre sur le plan
correspond à une élévation de 50 cm.
En conclusion, si le plan incliné a une faible pente, l'effort à fournir pour
monter est faible, mais on ne monte pas beaucoup : pour monter haut, il
faudra répéter plusieurs fois l'opération (exemple : les routes en lacets des
montagnes).
Au contraire, si le plan incliné a une pente importante, l'effort à fournir sera
important et on montera beaucoup d'un coup : on ne sera pas obligé de
répéter l'opération de nombreuses fois (exemple : ).
A. Les séances
Présentation du plan incliné et de son point d’accroche. Les enfants
manipulent par groupe de quatre.
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a) Que se passe-t-il lorsque je fais glisser le pavé sur la planche
horizontalement ?
Qu’est-ce que j’ai fait comme déplacement ?
Le pavé n’est pas monté, or je voulais l’élever.
b) Placer le plan incliné sur le pivot « niveau 1 »et installer la goupille. Que
se passe-t-il lorsque je fais glisser le pavé parallèlement au plan ? Est-ce que
c’est plus facile ? Plus difficile ?
8
c)
Placer le plan incliné sur le pivot « niveau 2 » et installer la goupille. Que
se passe-t-il lorsque je fais glisser le pavé parallèlement au plan ? Est-ce que
c’est plus facile ? Plus difficile ?
Le pavé est monté plus haut.
Est-ce que j’ai fait plus d’effort ou moins d’effort que lors de la manipulation
précédente ?
A noter qu'il existe une situation supplémentaire, un peu limite : il s'agit de la situation dans
laquelle le plan incliné est exactement vertical. Dans ce cas, nous sommes au même point que
lorsque l'on soulève le pavé avec la corde sans aucune machine.
9
Quel est le plus avantageux ?
Ce qui est éprouvé est différent selon chaque enfant …
L’installation du plan incliné au niveau 1 permet de monter avec moins d’effort mais
moins haut – l’installation du plan incliné au niveau 2 permet de monter plus haut
mais avec plus d’effort …
Afin de se mettre d’accord, d’objectiver les résultats, les élèves sont invités à
trouver un moyen de mesurer l’effort fourni. Les élèves vont :
10



mesurer avec un élastique. Il est important que les élèves prennent toujours
les mêmes repères : crochet du pavé, esse …
refaire les quatre manipulations et renseigner le tableau
conclure et noter la conclusion sur le livret
vertical
horizontal
Niveau 1
Niveau 2
………..
……….
horizontal
Niveau 1
Niveau 2
Facile
13
11,5
20 cm à
vérifier
Facile
17
13
35 cm à
vérifier
Plus difficile
21
15,5
Ce que je
ressens
La mesure
Ce que je constate :
Pour l’élever de …….. je fournis un effort de …
Pour l’élever de …. … je fournis un effort de …
Ce que j’ai appris :
Par exemple :
vertical
Groupe 1
Groupe 2
Ce que je constate :
Difficile
33,5
18,5
Pour l’élever de 20 cm, je fournis un effort mesuré « 17 » avec l’élastique
Pour l’élever de 35 cm, je fournis un effort de « 21 » avec l’élastique
Ce que j’ai appris :
Le constat de l’effort fourni pour élever une charge avec le plan incliné devra
nécessairement prendre en compte la hauteur à laquelle la charge a été élevée : les
mesures du niveau 1 puis du niveau 2 s’imposent.
Ces mesures seront indiquées sur le tableau.
Pour parfaire ce travail, les élèves seront invités à refaire les manipulations, mais
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cette fois avec le dynamomètre qui constituera l'étalon le plus prévis à notre
disposition.
Alors, les élèves pourraient conclure ainsi :
« Pour monter la charge à l’aide d’un plan incliné, l’effort que je dois fournir est
moins important si le plan est moyennement incliné … pour atteindre le niveau
d’élévation attendue, je peux utiliser plusieurs plans inclinés et monter la charge par
palier. »
Le levier
« Dazisteinheberdamit man einhebtviergadennhoch, derdasiechtwaz man in
einer stat tüe, Dye do leytauffeineroben, dasicht man waz man darinnentüt.
Daz ist pewart und gerecht.[Hall 1979, 147]»[1] C'est un levier avec lequel on
fait monter quelqu’un à une hauteur de quatre étages, qui voit ensuite ce qui se
fait dans une ville. Une personne prend en charge, tandis que l'autre en
altitude voit ce qui se passe à l'intérieur. Cela a été testé dans la pratique et est
utile. [1] Anonyme de la Guerre Hussite, 1475
On connaît la phrase attribuée à Archimède : « Donnez-moi un point d'appui et je
soulèverai le monde ».
Nombre de machines de l’Antiquité et du Moyen-Âge sont constituées en totalité ou
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en partie par des leviers. C’est donc une technique connue, éprouvée, que l’on va
adapter à de nombreuses situations.
Dans cette partie, vous trouverez un éclairage théorique pour le maître "Le levier,
comment ça marche ?" et une proposition de déroulement en classe "Les séances".
B. Le levier, comment ça marche ?
Un levier est constitué d'une barre rigide qui peut pivoter autour d’un point fixe – le pivot. Le
levier comprend deux bras de levier, le bras de levier moteur (celui sur lequel on exerce la
force) et le bras de levier résistant (celui qui porte la charge).
Il existe trois types de leviers, classés en fonction de l’emplacement du point d’appui
par rapport aux points d’application de la force motrice de la force résistante :



·
·
·
Le levier inter-appui.
Le levier inter-résistant.
Le levier inter-effort.
Le levier inter-appui
Anonyme, 1573
Dans ce type de levier, le pivot est placé entre les deux bras de levier, donc
13
entre les deux forces qui s’exercent dans le même sens.
Si le bras de levier moteur est plus long que le bras de levier résistant, le gain
mécanique sera supérieur à 1 : on pourra donc théoriquement soulever 2 kg en
appliquant une force d’1 kg.
Mais la diminution de la force motrice implique que le déplacement de l'extrémité du
bras moteur est plus grand que celle du bras résistant.
On utilise donc ce type de levier pour multiplier une force.
Mais on peut aussi appliquer la force à l’autre extrémité, comme dans le cas de
l’aviron : le déplacement du bout de la rame est alors beaucoup important que celui
du manche. Le rameur doit fournir un gros effort, mais avec un moindre
déplacement. De même, la vitesse à l’extrémité opposée de la rame est multipliée.
14
Levier inter-résistant
Fausto VERANZIO, 1615
Dans ce type de levier, le pivot est placé a une extrémité, et la force
résistante est appliquée entre le pivot et la force motrice, les deux forces qui
s’exercent dans des sens opposés.
L’avantage mécanique, dans cette situation est toujours supérieur à 1 : c’est donc
toujours plus facile ! L’exemple classique est la brouette (où le point d'appui est la
roue).
15
On utilise donc ce type de levier pour multiplier une force.
Levier inter-forces (ou inter-moteurs)
Dans ce type de levier, le pivot est placé a une extrémité, la force résistante à
l'autre extrémité et la force motrice est placée entre les deux.
L'exemple-type de ce levier est l'articulation du coude ou de la mâchoire.
Un levier de ce type, comme la pince à épiler, permet d’effectuer des travaux délicats,
évitant d'écraser les objets trop fragiles avec les doigts.
On utilise donc ce type de levier pour diminuer une force.
B. Les séances
Présentation de la potence, de l’axe et installation du levier au niveau 2 de telle
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façon qu’il soit en équilibre (trou du milieu). Le bras de levier est présenté.
Le manipulateur se place face à la potence selon la marque « de couleur » placée
sur la base, la potence est tournée de façon à ce que le bras moteur soit devant lui.
C’est de cette place que l’opérateur soulève la charge.
Les enfants manipulent par groupe de quatre.
Pour être prises en compte les manipulations doivent être faites en levant la charge
jusqu’au point d’élévation indiquée.
a) Que se passe-t-il lorsque l’on place le bras de levier en équilibre (trou du
milieu) et que l’on soulève la charge ? Cette situation est à comparer avec la
situation témoin.
Le bras de levier « résistant » est de même longueur
que le bras de levier « moteur » .
b) Que se passe-t-il lorsque l’on place le bras de levier en position 2 …
deuxième trou ?
Le bras de levier « résistant » est plus court que le bras de levier « moteur », la charge
est plus facile à lever.
17
c)
Que se passe-t-il lorsque j’inverse le levier ?
Pour trouver la position 3, il suffit de détacher le poids et de faire pivoter le levier en
soulevant la base.
Le bras de levier « résistant » est plus long que le bras de levier « moteur », la charge
est plus difficile à lever.
Quel est le plus avantageux ?
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Ce qui est éprouvé est différent selon chaque enfant …
L’installation du levier en position « bras moteur long » permet de soulever la
charge plus facilement, avec mois d’effort …
Afin de se mettre d’accord, d’objectiver les résultats, les élèves sont invités à
trouver un moyen de mesurer l’effort fourni. Les élèves vont :



mesurer avec un élastique. Il est important que les élèves prennent toujours
les mêmes repères : crochet du pavé, esse …
refaire les quatre manipulations et renseigner le tableau
conclure et noter la conclusion sur le livret
Attention : pour une lecture plus facile des résultats obtenus, les positions 1 et
2 ne suivent pas l’ordre des manipulations.
vertical
Position 2
Position 1
Position 3
(témoin)
Bras de levier
moteur long
Bras égaux
Bras de levier
moteur court
vertical
Position 2
Position 1
Position 3
(témoin)
Bras égaux
Moyen
Bras de levier
moteur long
Facile
Moins facile
Bras de levier
moteur court
Difficile
…
11
25
45
Ce que je
ressens
La mesure
Ce que j’ai appris :
Par exemple
Ce que je
ressens
La mesure
Ce que j’ai appris :
19
Les élèves pourraient conclure ainsi :
« Plus le bras de levier moteur est long, plus la charge est facile à soulever. »
La poulie
«Contrairement à ce que l’on pourrait croire, la poulie ne remonte pas à la nuit des
temps. On n’en connaît pas de représentation dans les peintures égyptiennes du
temps des pharaons. La plus ancienne représentation connue date du IX ème siècle
avant notre ère et se trouve sur une sculpture du palais d’Assurbanipal à Nimrod.
Elle est représentée au siècle suivant sur un bas-relief assyrien. Les Grecs vont
hériter de la connaissance de la poulie. Elle est mentionnée pour la première fois
dans les Mechanica d’Aristote.Les miniatures du Moyen-Âge représentent de
nombreuses poulies dans les scènes des chantiers des cathédrales. Mais beaucoup de
communautés ne l’utilisaient pas ou ne la connaissaient pas : la pierre de la
margelle du puits du krak des Chevaliers a été profondément creusée par les cordes
employées pour remonter l’eau du puits[1]. » »
QU’EST-CE QU’UNE POULIE ?
La poulie est une roue (le réa) dont le pourtour est muni d’une gorge dans laquelle
passe une corde qui permet d’accrocher une charge.
Poulie simple fixe
Si l’on veut soulever une charge, il est courant d’utiliser une poulie fixée à un
support dans laquelle passe une corde à laquelle est accrochée la charge.
Si on exerce une force suffisante à l’autre extrémité de la corde, on peut
soulever la charge. Cette configuration est appelée poulie simple fixe.
20
La poulie simple fixe n’offre pas d'avantage mécanique. La force exercée
change seulement de direction (« La poulie fixe ne sert qu’à changer le sens de
l’effort. » Sarah, 9 ans).
Il faut cependant remarquer que la perception de l’effort fourni est modifiée
par le fait qu’on peut aisément ajouter notre propre poids à la force nécessaire
pour relever la charge. En d’autres termes, on trouve plus facile de tirer vers le
bas que vers le haut.
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.
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
Lorsque l’on utilisera un assemblage de poulies, on parlera de poulies composées : dans ce cas,
on cherchera à identifier les poulies fixes et les poulies mobiles : le nombre de brins partant des
poulies mobiles donnera le facteur de réduction de la force.
C. La poulie, comment ça marche ?
La poulie est une roue (le réa) dont le pourtour est muni d’une gorge dans laquelle
passe une corde qui permet d’accrocher une charge. Ce réa tourne autour d'un axe
(essieu) porté par une chape, solidaire d'un support ou de la charge à soulever.
21
Il existe plusieurs types de poulies : ici, nous ne traiterons que de la poulie simple fixe
et de la poulie simple mobile.
Poulie simple fixe
Buonaiuto LORINI, 1609
Si l’on veut soulever une charge, il est courant d’utiliser une poulie
fixée à un support dans laquelle passe une corde à laquelle est
accrochée la charge.
Si on exerce une force suffisante à l’autre extrémité de la corde, on
22
peut soulever la charge. Cette configuration est appelée poulie
simple fixe.
La poulie simple fixe n’offre pas d'avantage mécanique. La force
exercée change seulement de direction (« La poulie fixe ne sert
qu’à changer le sens de l’effort. » Sarah, 9 ans).
Il faut cependant remarquer que la perception de l’effort fourni est
modifiée par le fait qu’on peut aisément ajouter notre propre poids
à la force nécessaire pour relever la charge. En d’autres termes, on
trouve plus facile de tirer vers le bas que vers le haut.
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.
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.
23
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.
Une analogie assez parlante : chaque brin de la corde qui supporte la poulie, donc la
charge, peut être assimilé à l'anse d'un panier. Combien sommes-nous à porter la
panier ? Si chacun tient une anse, nous sommes deux à tenir le panier, donc chacun
porte la moitié de la charge. Dans le cas de la poulie mobile, il y a celui qui tire sur la
corde, et... le point d'ancrage. Chacun porte la moitié de la charge.
L'autre inconvénient de la poulie mobile est qu'il faut tirer la corde vers le haut : un
moyen d'y remédier est de combiner 2 poulies, une fixe et une mobile, pour cumuler
le gain de chacun des systèmes.
Poulies composées
Juanelo TURRIANO, 1595
24
Lorsque l’on utilisera un assemblage de poulies, on parlera de poulies composées :
dans ce cas, on cherchera à identifier les poulies fixes et les poulies mobiles : le
nombre de brins partant des poulies mobiles donnera le facteur de réduction de la
force.
C. Les séances
Présentation de la potence, de la poulie. Le pavé est placé au centre de la base.
a) Que se passe-t-il si l’on soulève le pavé avec une poulie placée en haut de la
potence et que l’on tire la ficelle vers le bas ?
Le pavé semble plus facile à soulever avec une poulie placée en haut de la
potence. Il est plus facile de tirer vers le bas que vers le haut. De plus, le poids
du corps s’ajoute à la force nécessaire pour le lever la charge.
25
L'utilisation de la poulie fixe ne change rien à la force nécessaire. Elle inverse le sens
de l’effort.
b) Que se passe-t-il si l’on place la poulie en bas, attachée au pavé, et que l’on
accroche la corde en haut de la potence ? On tire alors la ficelle vers le haut.
26
Attention : il faut retourner la poulie pour pouvoir l’attacher au pavé.
Le pavé est plus facile à soulever. Il est porté « à deux » de la même manière qu’un
panier est moins lourd à porter à deux. La charge à soulever est pratiquement
« divisée » par « deux » … La poulie mobile s’élève en même temps que la charge.
c)
Que se passe-t-il lorsque l’on accroche la ficelle en haut de la potence, une
poulie au pavé et que l’on place une seconde poulie en haut de la potence ? On tire
alors la ficelle vers le bas.
27
La force nécessaire est divisée par deux, partagée entre les deux brins. Le sens
de l’effort est inversé.
d) Que se passe-t-il lorsque l’on accroche la ficelle au pavé, une poulie en haut
de la potence, une seconde poulie au pavé ? On tire alors la ficelle vers le haut.
La force nécessaire est divisée par deux, partagée entre les deux brins. Pour
connaître la force il suffit de diviser par le nombre de brins.
Le sens de l’effort est inversé par rapport à la situation précédente.
Quel est le plus avantageux ?
Ce qui est éprouvé est différent selon chaque enfant …
Les observations ont besoin d’être organisées selon le nombre de poulies et le
sens de l’effort.
28
Afin de se mettre d’accord, d’objectiver les résultats, les élèves sont invités à
trouver un moyen de mesurer l’effort fourni. Les élèves vont



mesurer avec un élastique. Il est important que les élèves prennent toujours
les mêmes repères : crochet du pavé, esse …
refaire les quatre manipulations et renseigner le tableau
conclure et noter la conclusion sur le livret
Attention : l’élastique doit être accroché au bout de la ficelle.
Vertical
Témoin
Situation
«1»
Situation
«2»
Situation
«3»
Situation
«4»
Ce que je
ressens
Dans quel
sens je tire
la ficelle
La mesure
Ce que j’ai appris :
Tirer un ensemble de conclusions serait bien ambitieux, les élèves choisissent de
commenter une situation et une seule.
29
Les élèves pourraient conclure ainsi :
1 – « Si l’on accroche une poulie en haut de la potence, la force ne change pas, c’est
seulement le sens de l’effort qui change.
30
2 - Si l’on accroche une poulie au pavé, la poulie se monte avec le pavé, la force est
deux fois plus petite.
3 - Si l’on installe deux poulies, une en haut de la potence et une accrochée au pavé,
la force est deux fois plus petite. Le sens de l’effort change. »
Par exemple :
Vertical
Témoin
Ce que je
ressens
Dans quel Vers le haut
sens je tire
la ficelle
La mesure
10 …
Ce que j’ai appris
Situation
«1»
Situation
«2»
Situation
«3»
Situation
«4»
Pareil
Facile
Facile
Vers le bas
Un peu plus
facile
Vers le haut
Vers le bas
Vers le haut
10 …
5…
5…
5…
Certains élèves remarquent que réduire l’effort en utilisant la poulie
mobile demande d’utiliser davantage de corde et de lever le bras plus
haut... Donc, l'avantage est une notion qui se discute !
La mesure
Mesurer, objectiver les résultats et les comparer
Pour commencer, il faut faire "sentir" les forces en jeu aux enfants. Les sentir avec leur
corps, leurs bras, leurs mains : il ne s'agit pas d'une expérience virtuelle, c'est une expérience
réelle où le ressenti aura valeur de mesure.
Dans un premier temps donc, les enfants "mesureront" les efforts fournis en les
qualifiant : "c'est dur", "c'est trop facile", "c'est plus facile que tout à l'heure"... Nous
sommes donc là en pleine subjectivité.
A noter que les réponses "c'est plus lourd", "c'est plus léger" doivent nécessairement être
discutées : en effet, plus lourd ou plus léger supposerait que la masse de l'objet a changé, ce
qui n'est pas le cas. Il faut absolument le faire constater aux enfants.
Dans un deuxième temps, les élèves doivent comparer objectivement leurs
observations.
Comment faire ? Quel outil employer ?

31
Il existe des "objets" qui se tendent en fonction de l’effort fourni : la corde, l’élastique


et le ressort.
Si je tire sur la corde, celle-ci se tend, il ne faut pas qu’elle lâche … plus le poids
qu’elle soulève est lourd, plus la tension est grande. La corde utilisée pour ces
manipulations est suffisamment solide pour ne pas se déformer.
En revanche, l'élastique et le ressort changent de forme en fonction de la tension.
Nous allons donc utiliser successivement deux types d'"appareils" de mesure :


l'élastique
le dynamomètre
L'élastique
Dans le travail qui suit, nous allons utiliser un élastique pour « mesurer ». Les
élèves marquent la position au repos, la position avec un poids de 200 grammes, de
500 grammes, puis d’un kilogramme.
L'élastique est
accroché au
tableau et il
porte un esse.
On note son
allongement
au repos.
On suspend une
masse marquée
200g et on note
d'un trait
l'extrémité de
l'élastique : on
constate qu'il
s'est allongé.
On suspend
une masse
marquée 500g
et on note d'un
trait l'extrémité
de l'élastique :
on constate
qu'il s'est
encore allongé.
Cette fois, on
On prend maintenant la
place une masse
mesure de ces différents
marquée 1 kg et
allongements. On
on note d'un
constate que plus la
trait l'extrémité
charge est importante,
de l'élastique :
plus l'élastique
il a continué de
s'allonge.
s'allonger.
On peut constater que l'allongement n'est pas rigoureusement proportionnel à la
force : on ne demandera donc pas aux enfants de chercher l'allongement de
l'élastique pour une force de 300 g dans un graphique.
32
Plus le poids est important, plus l’élastique s’allonge.
De la même manière, plus je tire, plus c’est dur, plus je fournis
d’effort.
Lorsque je ne tire plus sur l’élastique, celui-ci reprend sa
position initiale.
L’élongation de l’élastique me donne une bonne
indication de l’effort fourni : l’élastique devient donc un
instrument de mesure.


Pour mesurer l’allongement de l’élastique, les élèves utilisent une règle
graduée.
Les mesures de chaque groupe seront reportées dans des tableaux, ce qui
permettra lors de la phase d’échange une confrontation des résultats.
Les machines complexes
Dans cette partie en développement, nous rencontrerons des machines complexes, car
pouvant être décomposées en machines simples. Ainsi nous y verrons le treuil, la manivelle,
...
Le treuil
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