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1. 836 9 Anthony 84 2 kg 24 102 _ 2358 8a t679 28 1 9 8 Aa 45 7 tsik 267 124 34 7 saa C T x 58 04 ni Remarque Lorsque l l ve soul ve la charge le poids la balance est plus faible que lorsqu il est inactif II faut leur pr ciser que cette diff rence correspond au poids de la charge qui contrebalance le poids de l l ve Or cette diff rence diff re quelque peu des 13 kg de d part On peut voquer les divers frottements qui rentrent en jeu Synth se collective Le syst me palan permet de diviser par 2 la force n cessaire pour soulever la charge par rapport un syst me de poulie simple Le palan permet de d multiplier l effort exercer En revanche la longueur de corde tirer doubl e Suite la s ance 3 analyser des relev s en utilisant des outils math matiques pour arriver la conclusion que le palan permet de d multiplier l effort Voir document l ve n 4 en annexe 1 Retour de la s ance pr c dente voir document l ve n 5 en annexe L l ve doit tre capable de r investir un vocabulaire technique appropri pour commenter des photos de mecanismes connus 2 Mise en place d ateliers Ateliers n 1 et 2 poulie et palan S ance 5 techniques et machines travers l histoire suite engrenage Un peu d histoire les premi res machines Les premiers outils retrouv s datent d il y a environ deux millions d ann es Il s agissait d2. ance 1 Pr sentation du projet et d couverte de quelques machines simples L objectif tre capable de distinguer quelques outils et machines simples levier poulie et engrenage Nous d cidons dans un premier temps de reformuler la question du d fi de fa on laisser aux l ves davantage de pistes de reflexions 1 Recherche individuelle et collective autour de la question suivante Comment soulever une charge objet ou personne et la d placer sans les mains Remarque En n excluant pas par exemple l utilisation des machines lectriques nous orientons les l ves vers l id e que beaucoup de syst mes fonctionnant l aide d un moteur pourraient tout aussi bien fonctionner l aide d un treuil par exemple 2 Synth se au tableau des formulations des l ves On pourra distinguer les outils les machines les syst mes le vocabulaire associ 3 Approfondissement avec vid oprojection et discussion autour des photos suivantes puits grue brouette divers leviers tractopelle cric chalut manitou pont levis ascenseur mongolfi re t l ph rique tire fesse Remarque Distribution d un glossaire des termes fondamentaux qui pourra tre consult en cours de visionnage voir document l ve n 1 en annexe Chaque photo sera pr texte discussion Les explications devront tre impuls es par les l ves tay es et valid es par les enseignants On privil giera les e
3. et ing nieur il met au point les machines de traction la vis sans fin des machines de guerre et dit on le miroir parabolique Archim de aime les raisonnements logiques et a une tr s grande imagination C est Archim de que l on attribue la phrase Donnez moi un point d appui et je soul verai le Monde Les engrenages existent d s le III mill naire avant J C en Chine Ce ne serait donc pas L onard de Vinci 1452 1519 qui invente les roues dent es mais c est lui qui tire parti de leurs avantages en mettant au point le cric qui permet de soulever les carrosses Le treuil Le treuil est constitu d un tambour qui tourne sur lequel s enroule un c ble Il est actionn par une manivelle ou un m canisme Les premiers treuils furent actionn s par des ouvriers qui gravissaient p niblement sans fin les chelons d une roue en bois ils furent ensuite relay s au XIX me si cle parles chevaux A partir du XIX me si cle le moteur vapeur fit son apparition et rempla a progressivement le cheval L efficacit du treuil est d termin e par le rapport entre le diam tre du cylindre ou tambour et celui de la circonf rence d crite par la manivelle Le treuil est fr quemment utilis pour lever de lourdes charges S ance 6 Vers le cahier des charges 1 Rappel Apr s la pause des vacances de No l Mr Serra propose aux l ves de rappeler les syst mes tudi s rendre plus facile un
4. 52 5 kg position 3 loin du pivot Poids de l effort exerc pour soulever la 12 8 12 9 kg charge Synth se collective Poids de l l ve Plus la charge est proche du pivot de la brouette axe de la roue plus l effort pour soulever cette charge est faible Atelier n 4 Utilisation du pied de biche arrache clous Mat riel bureau de la classe pieds de biche de longueurs variables Mettre en pratique avec un objet du quotidien les observations de l atelier 2 S ance n 3 Exp rimenter les syst mes de poulie simple et palan Les objectifs Comprendre l utilit des poulies Ma triser la notion de force ventuellement force motrice et force r sistante Ma triser la mesure de masses et la corr ler la longueur de corde tirer 1 Evaluation des acquis de la s ance 2 Voir document l ve n 3 en annexe 2 Poulie et palan charge soulever carton ramettes de 13 kg Tous les l ves exp rimentent ces deux m canismes Pour chacun d eux on note le poids la balance l tat inactif tare puis en action de soulever la charge de 13 kg Les r sultats sont not s dans un tableau simplifi R sultats partiels Poulie Diff rence li N D X Diff rence Poids de l effort i D Poids de l effort exerc pour PF g exerc pour soulever la Be 4 soulever la charge l ves poids i Poids de la charge en th orie Sol ne 82 6 kg 16 166
5. du fl au La longueur des bras de levier compense alors les diff rences de masses Atelier n 2 Soulever une charge et faire varier la longueur du bras de levier ainsi que la position du pivot Les l ves appr cient l effort l aide de 4 lettres A tr s facile B facile C difficile D tr s difficile Un temps collectif permet de valider les r ponses suivantes Pivot plac 10 Pivot plac 20 Pivot plac 30 Pivot plac 40 cm de la charge cm de la charge cm de la charge cm de la charge SE BR RS RS RS RS RES synth se collective L effort est d autant plus faible que le pivot est proche de la charge et ou le bras de levier est long Atelier n 3 Utilisation de la brouette Mat riel une brouette fabrication bois avec but es pour trois compartiments un carton de ramettes une balance p se personne Noter et corr ler l effort demand on utilisera la balance p se personne cet effet pour soulever la brouette en fonction de la disposition d un carton de ramettes 13 kg sur cette derni re Pour aller plus loin en fin de s ance tude collective de la balance romaine et de la balance Roberval R sultats partiels comment s 7 Sol ne Claude 30 8 kg 39 6 kg Poids de l l ve soulevant la charge en 36 6 kg 45 6 kg position 1 pr s du pivot Poids de l effort exerc pour soulever la 5 8 kg 6 kg charge Poids de l l ve soulevant la charge en 43 6 kg
6. une spatule Probl me de pentes trop raides longueur de la rampe maximale dans le cas d un plan inclin simple 2 Fabrication Pr sentation des mat riaux et des outils Attention Recommandation de s curit Les dangers dans l utilisation de certains mat riaux et surtout des outils Marteaux tournevis perceuse visseuse scie Dans un premier temps les l ves sont confront s un probl me par quoi commencer Apr s discussion conclusion est faite de commencer par la r alisation de la maison qui est l l ment fixe du d fi en position et en dimension R alisation de la maison 4 Planches de dimension identiques per age vissage des parois murs sol et plafond R alisation de la machine et de son m canisme Dans un premier temps Les l ves dans cette premi re phase utilisent des objets treuils poulies etc donn s par le ma tre qui sont pr existants pas de variables et doivent ainsi se concentrer sur les dimensions et positions des diff rents objets o je fixe comment je fixe de quelle dimension doit tre mon plan inclin mon support de treuil Apr s la r alisation fonctionnelle de leur m canisme dans un deuxi me temps ils pourront alors faire intervenir des variables modifier la taille du cylindre et de la manivelle des treuils r sistance des cordes et l am liorer ainsi en performance faciliter la t che r aliser une force la moins grande possible Mis
7. Le cahier des charges Maquette Objectif R aliser machi le la d placer pui Pr a ver une charge p puis la Croquis fa D autre azli Qu mu GS om LAGANI fce JA qui EVETT 39 4 24 Con f ph mchos COTA he pagu A deu faito ou eT d de 4 0 M aa 0 CoO t Les objectifs Confronter les cahiers des charges et les maquettes Faire fonctionner ces derni res Lig tiga an f Uap grande planche de Al om mur Slm planche de contre plaques de 29 dom sur 15 em planche de 04 cm sur 3em crampons Use feel de 12e Lire autre idle de Sjem 2e e a de cn aa 27 o LA wri Dripes de Diem sur cm Lia guil J lus Ua paymol de con Du wk JO g de He Notice de fabr catioe Vosges les 4 planches de 27A s 28 om de asso Or on por 2 Yasa des 2 bouts de carton de Pom sur X7 Som pour ka lae avan ei ann es de La maia X Prenez une grande phanche de 80 5 x J om et finer la maien sa milieu a au band d la granie planche 4 Plartez 3 cl ser B planche giapp ous aa au la de le maoa Lion I can soc i Aem de bond d li planche ousehisante do J om gi plans s on Psoe dit chimli ga ces l ces de Le mawa bia tend la ficelle daa joi amplos ot os Fentouire Genis er bei cri 3i Vassa ke erscau de boss que Eat 1 con di hageur Aem de hauteur et L4 6cen de longueur su milicu gt au bond che la be a planche contreplsqu igui fat Le out de La maison t ver litre imaman de bots que t 14_S
8. ance du point laxe Cette distance est appel e bras de levier Un levier se reconna t ses trois l ments 1 un axe de rotation 2 une force motrice 3 une force r sistante Pour cr er une grande force partir d une petite l enfant devra tre capable d utiliser les deux propi t s suivantes Une m me force a plus d effet sur la rotation si elle est appliqu e une plus grande distance de l axe Une grande force a plus d effet qu une petite force si elle est appliqu e la m me distance de l axe POULIE Une poulie transmet un mouvement de translation en modifiant sa direction sans modifier l intensit de l effort exercer Dans certaines situations l usage d une poulie permet l utilisateur de travailler dans une position plus confortable Le syst me de poulie courroie permet de transmettre un mouvement de rotation et d en modifier la vitesse Les deux poulies tournent dans le m me sens sauf si l on croise la courroie L utilisation du palan couplage de plusieurs poulies permet de r duire la valeur de la force exercer plus le nombre de brins de corde passant par la poulie attach e la masse soulever est important plus la force exercer est petite Mais la longueur de corde tirer est alors plus importante Il faut donc faire des compromis ce que l on gagne d un c t en force exercer on le perd d un autre en longueur de corde tirer ENGRENAGE Un en
9. and cela est possible des termes techniques appropri s appris les s ances pr c dentes l a hoe G K LE D N g HEL ISTE k z PR DE
10. ce un syst me de poulies Treuil Cylindre ou tambour autour duquel s enroule une corde ou un c ble Charge Ce qui est port Poids Force qui s exerce sur un corps soumis l attraction terrestre et qui le rend pesant Masse Grandeur li e la quantit de mati re que contient un corps Energie Energie vient du mot grec energeia et signifie force en action L nergie c est la capacit d exercer une force et de produire quelque chose Effort Action nergique d une force physique Force cause capable de modifier le mouvement d un corps ou de provoquer sa d formation Lorsque le point d application d une force se d place il en r sulte un travail Une force s exprime en newtons N Axe de rotation Pi ce cylindrique autour de laquelle tourne un corps Document l ve n 2 Un levier permet d exercer une plus grande force sur un objet Il comporte un point d appui u n pivot autour duquel il tourne On peut appliquer une force ou une puissance l un de ses bouts comme quand on soul ve une brouette ou fait tourner une clef Avec un levier plus on se place pr s du pivot plus il faut de force pour soulever la charge Plus on se place loin du pivot moins il faut de force pour soulever la charge Pour le treuil plus la manivelle est loin de l axe de rotation moins il faut d efforts pour soulever la charge Pour le palan plus le nombre de tours de corde autour des
11. e galets am nag s pierres dont on a enlev les plus gros clats cr s par l homo habilis Au cours des si cles l homme a essay d am liorer ses conditions de vie et de travail Homo sapiens r alise des outils de plus en plus perfectionn s mais la premi re r volution technique est arriv e avec l agriculture et l levage D s la fabrication de ces premiers outils l homme prend conscience qu il lui est possible de faciliter son travail en utilisant certaines astuces techniques Abattre un arbre s av re plus facile en fixant un manche la pierre pour en faire une hache plut t que de cogner l arbre en tenant la pierre bout de bras La roue est d j connue du temps des Sum riens 3000 avant J C et est am lior e par les Egyptiens qui construisent alors des chars rapides et stables Les chars deux roues ont jou un r le important durant toute l antiquit La grande pyramide de Ch ops 2600 avant J C a n cessit le d coupage l quarrissage et le transport et la mise en place de plus de trois millions de blocs en pierre de 2 3 tonnes chacun Les pierres taient sans doute hiss es et tir es sur rampe d acc s en pente douce Archim de est un savant grec n Syracuse en Sicile en287 avant J C A la fois math maticien il invente la premi re m thode pour calculer le nombre pi physicien il d couvre la pouss e d Archim de les lois des leviers
12. e inspection acat miq Classe de CM1 CM2 Q ie Mr Gu rain Ecole intercommunale rf duJ t 03 81 49 38 07 D fi en SCIENCES i MARTA VETD E 4 place de la mairie 25 560 Boujailles et technologie du Doubs Pr sentation du d fi Comment soulever une lourde charge et la d placer sans la toucher avec ses mains Monsieur Bricolo qui a mal au dos est sur sa maison en construction Il a besoin de tout son sable pour terminer ses travaux Comment pourrait on aider Monsieur Bricolo soulever son sable et le d poser sur la maison Pour relever ce d fi vous devez respecter ces conditions Le transport doit s effectuer en une seule fois sans tra ner sur le sol sans le toucher avec ses mains et il n est pas possible de passer par l int rieur de la maison 300 kg de sable Mod lisation Pour r aliser ce d fi en classe on utilisera 300g de sable et les distances r elles seront repr sent s l chelle 1 10 me Int rets p dagogiques et objectifs du projet Sciences exp rimentales et technologiques Exp rimenter et conceptualiser les notions de levier balance poulie et engrenage en leur donnant du sens application par l homme au cours de l histoire notamment Acqu rir un vocabulaire technique relatif aux syst mes simples identifi s exp riment s et expliqu s en classe Acqu rir une m thodologie propre au travail scientifique se poser des questions utiliser des instruments de mesure met
13. e au point collective des probl mes rencontr s et ajout des mat riaux et outils manquants S ance 9 et 10 Phase de fabrication suite Fabrication essais des maquettes qui doivent tre fonctionnelles et r daction du cahier des charges travail sp cifique sur l am lioration des syst mes treuils utilis s pour la fabrication Avec un ma tre par groupe manipulations de treuils taille r elle et taille r duite maquette mettant en jeu diff rentes variables agissant sur l am lioration du syst me cf photos taille diam tre du tambour cylindre rouleau taille longueur de la manivelle poign e levier d caler l axe de la manivelle avec utilisation d engrenages afin de se faciliter la t che diminuer la force exercer Probl mes rencontr s Force exercer trop importante pour les l ves Difficult d actionner une manivelle trop grande Choix de la position des roues dent es multiplier ou d multiplier la force Lenteur du syst me mont e de la charge et nombre important des tours effectu s par la manivelle si l on souhaite exercer une force moindre que celle n cessaire pour l ver la charge S ance 11 Phase de fabrication suite et fin Finaliser le projet maquette Am liorer et crire le cahier des charges sur ordinateur Exemple d un projet photo de la maquette cahier des charges 3 Com piho ni S Pord nte Anti Alexis Casso
14. e t che gr ce l utilisation d une machine simple 2 Pr sentation du d fi Les diff rents questionnements ainsi que les contraintes que suppose la situation initiale sont expliqu s et permettent aux l ves de s approprier le d fi Est ce qu on peut 3 Comment travailler On demande aux l ves de r fl chir la mani re dont peut tre men le projet Mise en vidence des r gles respecter pour la bonne marche des s ances suivantes respect de la parole et de l avis parfois contradictoire d autrui au sein du groupe respect des r gles de s curit dans les phases de techno n cessit de respecter un plan un ordre dans la fabrication et plus g n ralement ce que l on peut appeler un cahier des charges 4 Le cahier des charges Qu est ce qu un cahier des charges Sa lecture doit rendre possible sa r alisation et son utilisation par une classe X objectif quel besoin notre objet va t il r pondre Sch ma plan ou croquis Liste du mat riel Fiche de fabrication Mode d emploi cette partie ne sera pas abord e Possibilit s pour aider la compr hension de prendre des photos illustrant la d marche 5 Temps de r flexion individuel Avant la constitution des groupes on demande chaque l ve de r aliser un croquis pour faire merger des id es originales ainsi que des tendances communes 6 Temps de mise en commun et pr sentation des c
15. grenage est un assemblage de roues dent es Deux roues dent es en contact tournent avec des sens de rotation diff rents Les vitesses de rotation d pendent des nombres de dents des roues mises en contact une m me roue fera tourner rapidement une roue plus petite et fera tourner moins rapidement une plus grande roue Il est important de rep rer le nombre de dents de chacune des roues la roue motrice qui impose le mouvement et la roue entra n e qui subit le mouvement les sens de rotation des roues deux roues en contact tournent dans des sens oppos s le nombre de tours effectu s pour chacune des roues La r gle g n rale qui lie les nombres de dents de chacune des roues aux nombres de tours complets effectu s est Nombre de dents de la roue motrice Nombre entier de tours effectu s par la roue entrain e Nombre de dents de la roue entrain e Nombre entier de tours effectu s par la roue motrice PLAN INCLINE Un plan inclin est une surface plane qui est l g rement inclin e par rapport l horizontale Elle peut aider d placer les objets puisque leur mouvement dans le sens de la pente est obtenu en appliquant une force plus faible que celle n cessaire sur un plan horizontal Dans d autres situations elle permet surtout de faire s lever un objet sans avoir le soulever donc plus facilement que par un mouvement vertical la force n cessaire est plus faible que le poids de l objet S
16. om de longue 4 cm de largeur et 2 2 de baucar verticaieresnt pour supparer le treuil D osez be meul compost de T rondelles l ilna l e DO Ge d haicur de Gris au d ieii T M cacher ke Sl de ls botte qu umbo bauer le aaae lie ls bols momies ct enter ke ile ar lai muse ance 12 Pr sentation des projets S lectionner la maquette qui repr sentera la classe pour le d fi Fin du d fi mars 2009 Document l ve n 1 Machine simple Tout instrument utilis pour accomplir un travail Le mot m canique provient du grec m khan qui est devenu machina en latin et qui signifie machine Les Grecs d finissent les machines comme tout ce qui permet de vaincre la nature notre avantage Ils disent aussi m khanaoma qui signifie j invente une astuce Levier Une barre qui tourne autour d un point fixe le pivot et qui utilise la force appliqu e une extr mit pour soulever ou soutenir un poids une masse l autre extr mit Barre rigide que l on glisse sous un objet lourd pour le soulever Pivot Support ou point d appui sur lequel tourne un levier en soulevant ou en bougeant quelque chose Endroit o se fait l quilibre point d appui Poulie Une petite roue dont la gorge est con ue pour recevoir un lien flexible Elle peut changer soit la direction soit l effort exercer sur un objet Palan Appareil qui permet de soulever des objets lourds gr
17. roquis Apr s un tri effectu par l enseignant exposition au tableau des productions Les l ves viennent observer les travaux Ensuite explications par quelques enfants des productions caract ristiques et r ponses aux interrogations des l ves Mais comment tu Trois grands types Plan inclin ou supendu en pente ex t l cabine plan inclin l gyptienne Grue utilisant des poulies ou et treuils avec manivelle voire des engrenages facilitant l action de la manivelle probl mes constat s chute de la fl che de la grue probl me de la rotation ou du d placement de la grue pour d placer la charge apr s l avoir soulev e Insolites ex principe du tape cul utilis comme une catapulte pour lancer la charge par contrepoids enclume S ance 7 R daction du cahier des charges provisoire S ance 8 Phase de fabrication 1 1 Rappel de la s ance pr c dente Propositions des l ves Pr paration du cahier des charges de la machine fabriquer Objectif R pondre un probl me R aliser une machine pour soulever une charge et la d placer puis la d poser sur une maison sans la toucher avec les mains Pr sentation l ensemble de la classe de leurs propositions et d bat discussion sur d ventuels probl mes pos s par des camarades 5 projets diff rents sont pr sent s cf doc des l ves Probl me du rebord de la rampe fabriquer le chariot avec
18. roulettes est important plus la charge que l on peut soulever est importante Force exerc e par le Force motrice exerc e sur le levier sur le rocher ON a a levier Force r sistante Point d appui exerc e par le rocher sur ou pivot le levier La force exerc e par la personne sur le levier est appel e force motrice c est elle qui permet de d placer la charge elle est repr sent e en bleu sur le dessin ci dessus La force r sistante exerc e sur le levier qui s oppose au d placement repr sent e en rouge d pend du poids du rocher d placer Le point d appui ou pivot sert d appui au levier Force motrice Force r sistante exerc e par le Pivot ou point poids de la balle sur la main d appui Force motrice exerc e par la main sur le pied de biche exerc e par le point d appui clou sur le levier ou pivot Document l ve n 3 valuation interm diaire Retour de la s ance 2 Sur chacune de ces images place l aide de fl ches les num ros suivants E Le pivot E La charge Ea Le bras de levier a L endroit o s exerce la force Document l ve n 4 Analyse de quelques relev s de donn es suite la s ance 3 poulie palan Diff rence Poids de l effort exerc pour soulever la l ves poids charge moyenne Document l ve n 5 valuation interm diaire Retour de la s ance 3 Commente chacune de ces photos et emploie qu
19. tre en relation des faits observ s par l exp rimentation et les documents tudi s avec l id e sous jacente que l enfant n est pas l pour r inventer les concepts mais se les appropier en tirant profit des connaissances et des situations qui lui sont propos es Utiliser l outil informatique pour synth tiser et rendre compte Apprendre se comporter efficacement devant un probl me d ordre technique tre capable de fabriquer un objet mettant en uvre des m canismes simples Histoire D couvrir les techniques et premi res machines travers les ges Ma trise de la langue Lire et comprendre divers documents Ecrire cahier des charges mode d emploi synth ses compte rendu Communiquer participer aux d bats collectifs rendre compte exprimer ses id es Math matiques R investir et approfondir les acquis en espace et g om trie ainsi qu en mesure masses longueurs temps Utiliser le tableau outil indispensable pour rendre compte dans les proc dures de recherche impliquant des relev s de donn es et des mesures Travailler la proportionnalit la mise l chelle dans la repr sentation de la maquette Comp tences sp cifiques et pr requis LEVIER Ce qui mesure l effet d une force appliqu e en un point d un solide en rotation autour d un axe et qui s exerce perpendiculairement la droite passant par le point et l axe est le produit de cette force par la dist
20. xplications lapidaires de sorte que l l ve ne soit pas assomm par un exc s d informations Propositions des l ves la question comment soulever une charge et la d placer sans les mains Aimant Poulie Contre poids Balance Diable Brouette Cric Evacuateur L ve palettes Monte charge Ascenseur Grue H licopt re Tracteur fourche griffe pelle godet S ance 2 Exp rimenter les syst mes de levier et balance Les objectifs Comprendre l utilit du levier Comprendre le concept de force ventuellement force motrice et force r sistante Entrevoir le concept de levier de point d appui ou pivot 1 Rappel collectif des notions abord es en premi re s ance voir document l ve n 2 annexe 2 Mise en place d ateliers avec feuille de route Atelier n 1 Utilisation de la balance voir fichier francas p 75 Mat riel une balance pied rigide bois fl au en V r glette gradu e sym trique divers masses roberval Une balance fl au l quilibre rechercher l quilibre avec opposition de deux masses gales ou diff rentes Noter et corr ler la distance des masses au fl au en fonction des masses utilis es synth se collective Pour obtenir l quilibre il y a deux solutions Les deux masses sont identiques Le point d quilibre du syst me se trouve alors au milieu Les deux masses sont diff rentes La masse la plus lourde doit se situer plus pr s
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