Leviers, balances et poulies.pub

MERCREDI 15/02
MÉCANIQUE 1 / Balances, leviers et poulies
1. Les balances :
a) Notion d'équilibre :
Matériel utilisé : Boîtes Lego Dacta Réf; 9614.
Consigne : Avec le matériel précisé ci-dessous, construire un système rudimentaire pour peser différents objets.
Matériel de construction : 1 poutre de 1 par 16 tenons, 1 axe noir, 2 manchons.
Objets à peser : 6 objets identiques (briques hautes et/ou rondes), 6 objets différents.
Construction et principes : Les objets sont identiques; la masse est
égale, la distance à l'axe est la même( A=B). Il y a donc équilibre, la
gravité montre que ces objets ont la même masse; la poutre est donc à
l'horizontale. Peser, c'est donc comparer des objets par rapport à une
référence appelée unité ( ici le triangle noir). L'axe est vertical et
donc perpendiculaire à l'axe d'équilibre (l'horizontale).
Axe
A
B
b) Rapport entre centre de gravité et masse
Même matériel
Consigne : prendre 6 pièces identiques et observer le rapport
entre la distance A et la distance B.
A
Construction et principes : Si A= 2 x B alors la masse doit être 2
fois plus lourde. Le rapport distance à l'axe/masse est proportionnel.
Variantes : Modifier distance B et nombre d'objets pour vérifier :
A = 3 x B (se servir des trous de l'axe pour repérer l'emplacement ).
Compléments : pour 2 objets de masse identique, la balance penchera du côté de l'objet le plus éloigné de l'axe.
B
c) Différents types de balances
Matériel : boîte Lego Dacta 9614 complète.
Consigne : Construire une balance en se servant des schémas ci-dessous. Choix libre.
Balance à trébuchet
Balance romaine
Balance à plateaux (Roberval)
Contrepoids
Variante : faire inventer un type de balance et le faire valider.
Principes et fonctionnement : Les balances de type trébuchet et Roberval ont une distance constante entre plateaux et axe. L'équilibre se fait donc par comparaisons des masses. La masse est identique lorsque les plateaux sont à l'horizontale. Dans le cadre d'utilisation de masses marquées, la mesure se réalise par encadrements successifs.
La balance romaine utilise un contrepoids. Le rapprochement ou le déplacement de celui-ci permet la mesure. Ces balances utilisaient un axe gradué.
Compléments : Les balances fonctionnent selon le principe de gravité et donc de verticalité, d'horizontalité.
On peut également utiliser d'autres appareils de mesures de masses (pèse-personne, dynamomètres…) mais ceux-ci ne rentrent pas
dans le champ d'application des leviers.
Enfin, la distinction entre poids et masse est une notion très complexe à cerner pour nos élèves. Ne pas trop s'attacher à cette distinction qui dépend de la gravité. Pour information, un homme de 90 kg a un poids de 15 Kg sur la Lune. On peut par contre, s'attarder
sur la notion de densité qui concerne le rapport poids/volume. Exemple : 6 récipients identiques contenant 6 quantités identiques
mais de liquides différents (alcool à brûler, eau, sirop, huile, vinaigre, glycérine). Les activités sont nombreuses et riches : plus
lourd, plus léger, calcul de la densité (eau = 1)…
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2. Les leviers :
Pour ces 2 chapitres, réaliser 2 montages (leviers et poulies) et les analyser.
On compte 3 types différents de leviers. Ces notions étant assez complexes, penser à faire le rapport au quotidien des enfants.
A) Les leviers de type 1 : Balançoires, pince universelle, ciseaux, barre à mines…
Ces leviers ont un pivot central. Il sont conçus pour être équilibrés et ne pas produire d'avantage mécanique.
La distance entre la charge à soulever et l'effort par rapport à l'axe de pivotement a une grande importance : phénomène de bras de
levier (cf schémas)
1
Dans le schéma 1, le bras de
levier est important car la charge à
soulever est proche de l'axe et la distance entre l'axe est importante
(A>B). L'effort à fournir pour soulever la charge est donc moindre qu'en
2 où A < B; c'est par exemple le cas
d'un pince multiprises.
2
B
A
A
B
B) Les leviers de type 2 :
La charge se trouve entre le pivot et l'endroit où s'exerce l'effort. C'est le cas d'un casse-noix, d'une brouette.
Pivot
Charge
Charge
Effort
Effort
Pivot
C) Les leviers de classe 3 :
Ce sont des réducteurs de force. L'effort est situé entre le pivot et la charge. La force
est réduite mais le mouvement est amplifié.
Exemples : ciseaux à laine, baguettes chinoises.
Pivot
Effort
Charge
3. Les poulies :
Une poulie a un effet multiplicateur de l'effort. Plus il y a de poulies (ou de gorges), moins l'effort à fournir est important. Une donnée est à prendre en compte; il s'agit de la friction (=frottement) qui modifie le coefficient.
Exemple : Je dois ramener un bateau sur la berge à l'aide d'une corde. Peu d'effort à fournir pour l'amener sur la berge (Il flotte et
glisse sur l'eau ==) friction peu importante. Pour le monter sur la grève, le contact entre la coque et le sol génère une friction très importante ==) effort très important. Solutions : mettre des rondins sous la coque, le monter sur une remorque...
A) Poulie simple : L'effort à fournir est identique
la charge . Le rapport est donc de 1/1.
B) Poulie double : L'effort est divisé par 2. Le trajet de la corde est 2 fois à
plus long. Le rapport est de 1/2.
Effort (10 Kg)
Charge
(20 Kg)
Effort
(20 Kg)
Christophe LENOUVEL
Charge
(20 Kg)
CPC E.P.S.
CIRCONSCRIPTION DE CANTELEU
Compléments : Il existe d'autres
variables mais celles-ci seront
vues ultérieurement. Il s'agit des
modifications des rotations et de
leurs axes : Courroie croisée,
Rapport entre taille des roues
menantes et menées, etc… Ces
notions sont plus compréhensibles avec les roues dentées
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