Les poulies et la force

Les poulies et la force
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Objet de la leçon
Cette leçon a pour objet d’étudier le concept de la force et l’utilisation de poulies pour réduire la force demandée.
Sommaire de la leçon
L’activité « Les poulies et la force » explore le concept de la force et montre comment les poulies sont utilisées
dans la vie de tous les jours pour faciliter certaines tâches. Les élèves étudient différents emplois des poulies,
l’impact de plusieurs poulies et identifient les poulies utilisées à l’école et dans leur communauté. Les élèves
testent leur capacité à déplacer des poids en utilisant une, deux ou trois poulies en série.
Niveaux d’âge
8-11 ans.
Objectifs
Étudier les poulies et les systèmes de poulies.
Apprendre comment l’utilisation de plusieurs poulies peut considérablement réduire la force demandée.
Apprendre comment les systèmes de poulies sont utilisés dans les machines et quel est leur impact sur la
vie quotidienne.
Apprendre le travail d’équipe et la résolution des problèmes en groupes.
Résultats escomptés à la fin de la leçon
Au terme de cette activité, les élèves devraient acquérir une compréhension des sujets suivants :
les poulies
la force
la réduction de l’effort
la résolution des problèmes
le travail d’équipe
Activités de la leçon
Les élèves apprennent comment fonctionnent les poulies et explorent comment l’utilisation de plusieurs poulies
en série peut réduire la force nécessaire pour déplacer un objet. La force, les poulies et la résolution des
problèmes sont les sujets traités dans cette leçon. Les élèves travaillent en équipes pour concevoir un système de
poulies demandant le moins de force possible pour déplacer un poids.
Ressources/Matériaux
Documents de ressource aux enseignants (en pièces jointes)
Fiche de ressource aux élèves (en pièce jointe)
Feuilles de travail des élèves (en pièces jointes)
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Alignement sur les structures des programmes scolaires
Voir la fiche ci-jointe décrivant l’alignement des programmes scolaires.
Liens Internet
TryEngineering (www.tryengineering.org)
ITEA Standards for Technological Literacy: Content for the Study of Technology (en anglais)
(www.iteawww.org/TAA/Publications/STL/STLMainPage.htm)
McREL Compendium of Standards and Benchmarks (en anglais)
(www.mcrel.org/standards-benchmarks) Une compilation des normes en matière de contenu des
programmes scolaires de la maternelle au secondaire, en formats recherche et navigation.
National Science Education Standards (en anglais) (www.nsta.org/standards)
Lecture recommandée (en anglais)
« Using Pulleys and Gears (Machines Inside Machines) » (ISBN : 1410914453)
« New Way Things Work », de David Macaulay (ISBN : 0395938473)
« Moving Heavy Things », de Jan Adkins (ISBN : 0937822825)
Activité d’écriture facultative
Rédiger une dissertation ou un paragraphe décrivant comment des poulies sont utilisées dans un port de
plaisance ou sur un chantier naval.
Activité supplémentaire pour les élèves plus âgés
Les élèves plus âgés travaillent en équipes pour mettre au point un système de poulies qui permette à un
élève pesant 27 kg de soulever un adulte de 81 kg, soit trois fois le poids de l’élève.
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Pour les enseignants :
Alignement sur les structures des programmes scolaires
Remarque : Tous les plans de leçons de cette série sont alignés sur les normes nationales pour
l’enseignement des sciences (National Science Education Standards), établies par le Conseil national de recherche des EtatsUnis (National Research Council) et approuvées par l’Association nationale des enseignants des sciences des Etats-Unis
(National Science Teachers Association), et si applicable, sur les normes internationales d’enseignement de la
technologie pour l’alphabétisation technologique (International Technology Education Association's Standards for
Technological Literacy).
Normes nationales pour l’enseignement des sciences de la maternelle au primaire (4 à 9 ans)
NORME DE CONTENU B : Sciences physiques
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir une compréhension de :
Les propriétés des objets et matériaux
La position et le mouvement des objets
NORME DE CONTENU E : Science et technologie
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir
Des aptitudes de conception technologique
NORME DE CONTENU G : Histoire et nature de la science
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir une compréhension de :
La science en tant qu’aventure humaine
Normes nationales pour l’enseignement des sciences de la CM2 à la quatrième (10 à 14 ans)
NORME DE CONTENU B : Sciences physiques
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir une compréhension de :
Les propriétés et les changements de propriétés de la matière
Les mouvements et les forces
Le transfert d’énergie
NORME DE CONTENU E : Science et technologie
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir
Des aptitudes de conception technologique
Une compréhension de la science et de la technologie
NORME DE CONTENU G : Histoire et nature de la science
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir une compréhension de :
La science en tant qu’aventure humaine
L’histoire de la science
Normes pour l’alphabétisation technologique- Tous âges
Technologie et société
Norme 5 : Les élèves acquerront une compréhension des effets de la technologie sur
l’environnement.
Norme 7 : Les élèves acquerront une compréhension de l’influence de la technologie sur l’histoire.
Conception
Norme 9 : Les élèves acquerront une compréhension de la conception technique.
Norme 10 : Les élèves acquerront une compréhension du rôle du dépannage, de la recherche et du
développement, de l’invention et de l’innovation, et de l’expérimentation dans la résolution des
problèmes.
Aptitudes pour un monde technologique
Norme 13 : Les élèves acquerront des aptitudes d’évaluation de l’impact des produits et systèmes.
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Pour les enseignants :
Ressources aux enseignants
But de la leçon
Explorer le concept de la force en démontrant comment fonctionnent les poulies et les systèmes de poulies. Les
élèves comparent la force nécessaire pour déplacer un objet à l’aide d’une poulie simple et d’un système de
plusieurs poulies, étudient l’utilisation de poulies dans les machines et les objets courants et travaillent en équipes
pour élaborer des systèmes constitués de plusieurs poulies.
Objectifs
de la leçon
Les élèves étudient les poulies et les systèmes de poulies.
Les élèves apprennent comment l’utilisation de plusieurs poulies peut considérablement réduire la force
demandée.
Les élèves apprennent comment les systèmes de poulies sont utilisés dans les machines et quel est leur
impact sur la vie quotidienne.
Les élèves apprennent le travail d’équipe et la résolution des problèmes en groupes.
Matériaux
•
•
•
Fiche de ressource aux élèves
Feuille de travail des élèves
Un jeu de matériaux par groupe d’élèves :
o Ficelle de ménage
o Deux poulies de 5 cm ou plus
o Poids (une bouteille en plastique d’1 litre remplie de liquide ou de
sable)
Marche
à suivre
1. Montrez aux élèves les divers documents de référence à leur disposition. Ceux-ci peuvent être lus en
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
classe ou donnés à lire à la maison, la veille.
Répartissez les élèves en groupes de 3 ou 4 et distribuez un jeu de matériaux à chaque groupe.
Montrez aux étudiants la bouteille en plastique remplie et demandez-leur d’élaborer un système qui
permette de soulever la bouteille avec une seule poulie.
Demandez aux élèves de construire un système opérationnel avec les matériaux fournis. Les poulies
peuvent être attachées avec de la ficelle à une poignée de porte ou de tiroir ou à d’autres objets stables et
la ficelle peut être utilisée dans la poulie et attachée au col de la bouteille.
Demandez aux élèves d’observer le sens dans lequel ils tirent (ou exercent de la force) et comment,
lorsqu’ils utilisent une seule poulie, il s’agit du sens inverse de la tâche prévue (soulever la bouteille).
Demandez à chaque équipe d’élèves d’ajouter une autre poulie à leur système et de déterminer quel est
l’impact de cette deuxième poulie sur la quantité de force nécessaire pour soulever la bouteille.
Demande-t’elle moins de force pour lever la bouteille ?
Demandez à deux équipes de se regrouper afin de pouvoir utiliser quatre poulies. Demandez-leur
d’élaborer un nouveau système pour soulever la bouteille au moyen des quatre poulies. Ils doivent
prédire l’impact de ce système sur la force nécessaire pour soulever la bouteille.
Chaque groupe d’élèves présente son système de poulies à la classe et explique ce qui a marché et ce qui
n’a pas marché dans leur concept.
Temps
nécessaire
Une ou deux sessions de 45 minutes.
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Pour les enseignants :
Ressources aux enseignants
Montage
avec une seule poulie
L’illustration de gauche montre le montage avec une seule poulie destinée à soulever la
bouteille. Notez que le sens de la force exercée pour soulever la bouteille est contraire
au sens du mouvement de la bouteille : il faut tirer vers le bas pour soulever la bouteille
vers le haut.
Etape 1 : Attachez une poulie sur une poignée de porte ou de tiroir ou sur un objet fixe
quelconque pouvant supporter le poids de la bouteille.
Etape 2 : Attachez une longueur de ficelle au col de la bouteille et faites-la passer dans
la poulie.
Etape 3 : Tirez la ficelle vers le bas et observez la quantité
de force nécessaire pour soulever la bouteille. Notez que le
sens de la force (vers le bas) est opposé au mouvement
voulu de la bouteille (vers le haut).
Montage avec deux poulies
L’illustration de droite montre le montage avec deux
poulies. La deuxième poulie devrait réduire d’au moins de moitié la quantité de force
nécessaire pour soulever la bouteille. L’ajout d’autres poulies devrait la réduire
davantage.
Etape 1 : Attachez une poulie sur une poignée de porte ou de tiroir ou sur un objet
fixe quelconque pouvant supporter le poids de la bouteille.
Etape 2 : Avec de la ficelle, rattachez le col de la bouteille à la deuxième poulie.
Etape 3 : Rattachez la ficelle à la base de la première poulie. Enroulez la ficelle à
travers la poulie du bas, puis ramenez-la autour de la roue de la poulie du haut, puis
une deuxième fois dans la roue de la poulie du bas et de nouveau dans la roue de la
poulie du haut. La ficelle est maintenant enroulée deux fois dans les deux poulies.
Etape 4 : Tirez sur la ficelle et comparez la force nécessaire pour soulever la bouteille
par rapport au système de poulies décrit précédemment.
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Ressource aux élèves :
Qu’est-ce que la force ? Qu’est-ce qu’une poulie ?
La force
En poussant ou en tirant sur un objet, celui-ci reçoit de l’énergie qui lui permet de se mouvoir, de s’arrêter ou de
changer de direction. Par exemple, quand on soulève une bouteille, on exerce de la force dessus pour qu’elle se
déplace. De la même manière, le liquide présent dans la bouteille exerce une force sur les parois de la bouteille.
Cette force peut entraîner le mouvement ou la déformation du corps sur lequel elle s’exerce. Ce processus peut
entraîner une dépense d’énergie ou la force appliquée peut être compensée par une force inverse de sorte
qu’aucune dépense d’énergie ne se produise.
Sir
Isaac Newton
Sir Isaac Newton (1642-1727) a été le premier à énoncer les lois élémentaires du
mouvement des corps. Il proposa trois principes fondamentaux :
1. La première loi de Newton affirme que chaque objet persiste dans son
état de repos ou de mouvement uniforme rectiligne sauf s’il est obligé de
changer d’état sous l’action d’une force extérieure. Ceci est la définition
courante de l’inertie.
2. La seconde loi explique comment l’application d’une force extérieure sur
un objet modifie la vitesse de ce dernier. Cette loi définit la force comme
étant égale au changement de la quantité de mouvement (la masse
multipliée par la vitesse) par changement dans le temps.
3. La troisième loi affirme qu’à chaque action (force) exercée correspond
une réaction égale et inverse. En d’autres termes, si un objet A exerce une force sur un objet B, alors
l’objet B exercera une force égale sur l’objet A.
Qu’est-ce qu’une poulie ?
Une poulie est une roue munie d’une jante convexe montée sur un crochet ou un support aux fins de stabilité.
Une corde, une courroie ou une chaîne peut être déplacée le long de la jante afin de changer le sens d’une force de
traction. Les hampes de drapeau et les systèmes de tirage de rideaux sont des exemples de poulies. Une poulie
« fixe simple » est une poulie rattachée à un objet. Une poulie « mobile simple » est une poulie rattachée à un
câble ou à une corde de sorte qu’elle se déplace avec ce câble ou cette corde. Une poulie fixe simple n’apporte ni
gain de force, de distance ou de vitesse, mais change la direction de la force. Un système de poulies peut être
utilisé pour améliorer la force de levier lorsqu’on soulève des poids, ce qui réduit donc la force nécessaire pour
déplacer un objet.
Application
de la poulie : l’ascenseur
Les systèmes de poulies sont utilisés dans de nombreuses machines, en particulier pour
déplacer ou soulever des marchandises ou du matériel extrêmement lourds. L’ascenseur est
un exemple de système de poulies conçu pour soulever des poids. La plupart des ascenseurs
utilisent des contrepoids égaux au poids de l’ascenseur plus environ 40 % du poids
maximum admissible. Le contrepoids réduit la quantité de poids que le moteur peut tirer.
Dans un ascenseur à tambour, un câble de levage est fixé à une poulie motrice elle-même
rattachée au moteur, est enroulé autour d’une très grosse poulie rattachée au sommet de
l’ascenseur, puis autour d’une seconde poulie rattachée au toit de la gaine d’ascenseur, pour
descendre vers le contrepoids.
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Feuille de travail des élèves :
Les ingénieurs utilisent des poulies dans toutes sortes d’applications. Voici votre défi :
élaborer un système utilisant deux poulies pour soulever une bouteille. Dessinez votre plan dans le cadre cidessous.
Dessinez un
plan dans lequel quatre poulies sont utilisées pour soulever la bouteille.
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Feuille de travail des élèves :
Questions
:
1. Pensez-vous que la force que vous devrez exercer pour déplacer la bouteille sera réduite ? De combien ?
2. Pensez-vous que le fait d’ajouter dix poulies fera une différence ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
3. Pensez-vous que la taille de la poulie a un impact sur la quantité de force nécessaire pour soulever la bouteille ?
Pourquoi ou pourquoi pas ?
4. Pensez-vous que la texture de la corde ou de la ficelle autour de la poulie a un impact sur la quantité de force
nécessaire pour soulever la bouteille ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
5. Deviez-vous tirer davantage sur la corde ou la ficelle plus vous ajoutiez de poulies au système ?
6. Pouvez-vous donner trois exemples de machines dans lesquelles des systèmes de poulies sont utilisés ?
7. Pouvez-vous citer des problèmes d’ingénierie qui ont été résolus grâce à l’utilisation d’une poulie ou d’un
système de poulies ?
8. Pouvez-vous citer des exemples de poulies utilisées à l’école, chez vous ou dans votre communauté ?
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