Knex 78610 - Education Intro to Levers and Pulleys Teachers Guide Manuel du propriétaire

®
Education
LE GUIDE DE
L’ENSEIGNANT
LES LEVIERS ET
LES POULIES
LES MACHINES SIMPLES
78610
LES MACHINES SIMPLES
LES LEVIERS ET
LES POULIES
Guide De I’enseignant
96562-V3-10/14
© 2014 K’NEX Limited Partnership Group
Protégé par le droit d’auteur international.
Tous droits réservés.
Développé, produit et distribué aux
États-Unis et au Canada
Par K’NEX Education
K’NEX Limited Partnership Group
P.O. Box 700
Hatfield, PA 19440-0700
1-888-ABC-KNEX
courriel : abcknex@knex.com
Visitez notre site internet :
www.knexeducation.com
K’NEX Education est une marque déposée
de K’NEX Limited Partnership Group.
Cet ensemble est conforme aux
spécifications du règlement F963-03
(Standard Consumer Safety Specification
on Toy Safety) de l’ASTM.
Ouvré sous les brevets américains
5,061,219; 5,199,919; 5,350,331;
5,137,486.
Autres brevets américains et étrangers
en instance.
! ATTENTION :
RISQUE D’ÉTOUFFEMENT – Pièces de petite taille.
Ne convient pas aux enfants de moins de 3 ans.
Note de sécurité
La sécurité est une préoccupation primordiale dans une
classe de sciences et technologies. Il est recommandé
que vous établissiez des règles de sécurité qui vous
permettront d’utiliser les accessoires K’NEX en toute
sécurité. Dans le cas de ce matériel, l’usage d’élastiques
doit être bien contrôlé.
Attention particulière :
Les étudiants ne doivent pas étirer ou enrouler les
élastiques à l’excès, car ils risquent de se blesser ou de
blesser un autre étudiant. Toute marque de détérioration
des élastiques doit être mentionnée à l’enseignant. Les
enseignants et les étudiants doivent toujours s’assurer
que les élastiques soient en bon état et ce, avant
chacune des expériences.
Il est important d’éloigner les mains et les cheveux des
pièces mobiles. Ne jamais mettre les doigts dans les
engrenages ou autres pièces mobiles.
Dans le présent document, le générique masculin est utilisé sans aucune discrimination et uniquement dans le but
d’alléger le texte.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
Introduction :
Informations
LES LEVIERS ET LS POULIES
générales
Ce Guide de l’enseignant a été développé pour vous aider pendant que vos étudiants explorent l’ensemble Introduction aux
machines simples : les leviers et les poulies de K’NEX. Les informations et les ressources contenues dans ce guide, jumelées
au matériel K’NEX et au Journal de l’étudiant, vous permettront d’accompagner vos étudiants dans leur compréhension de
concepts scientifiques et de les guider dans leurs recherches à travers des expériences concrètes et significatives.
Introduction
aux machines simples : les leviers et les poulies
Cet ensemble de construction K’NEX fait partie d’une série de modèles conçus pour introduire les étudiants à certains
concepts scientifiques. Cet ensemble est axé sur la découverte des principes de base du levier et de la poulie. Les étudiants
ont la possibilité d’apprendre en utilisant un matériel simple et une approche basée sur l’enquête scientifique. Le travail
coopératif encourage les étudiants à s’entraider afin de construire, de comprendre, de discuter et d’évaluer différents
principes scientifiques en action.
Le Guide
de l’enseignant
Conçu afin de procurer à l’enseignant une variété de ressources, le Guide de l’enseignant lui fournit un glossaire de
concepts-clé et leurs définitions. Il inclut également un aperçu général des concepts associés aux leviers et aux poulies. Les
objectifs spécifiques de chacun des chapitres y sont identifiés. Ce guide offre aussi des plans et des scénarios pour présenter
chacune des machines simples et les activités qui lui sont associées. La plupart des unités peuvent être complétées en 30 à
45 minutes. Vous trouverez également des activités supplémentaires pouvant être réalisées afin d’approfondir un concept
en particulier. Nous recommandons aux enseignants de consulter leur programme afin d’identifier les activités qui leur
permettront d’atteindre leurs objectifs.
Le
journal de l’étudiant
Il est recommandé que chaque étudiant dispose d’un journal afin de noter les informations relatives à chacune des
expériences. Les étudiants devraient être encouragés à noter leurs hypothèses avant de commencer une activité. Ces
hypothèses pourront être vérifiées selon les découvertes qu’ils feront lors de l’expérience. Ces informations leur permettront
de faire le lien entre les différents concepts étudiés. Ils comprendront plus facilement les modèles construits, les expériences
réalisées et pourront relier ces informations au fonctionnement de machines qu’ils utilisent ou voient fonctionner
quotidiennement. Le journal permettra aux étudiants d’apprendre à dessiner des diagrammes et des plans. Il est aussi un
moyen d’évaluation pour l’enseignant. Le Guide de l’enseignant comprend une feuille de contôle des journaux et ce, pour
chacun des modèles et des activités qui lui sont associées.
Table
des matières
Les leviers................................................................................................................................................ 1-38
Objectifs................................................................................................................................................................... 3
Mots-clés et définitions........................................................................................................................................ 3-4
Concepts-clés...................................................................................................................................................... 4-11
La bascule......................................................................................................................................................... 13-20
La balance........................................................................................................................................................ 21-25
La brouette....................................................................................................................................................... 27-30
Le bâton de hockey.......................................................................................................................................... 31-34
Les ciseaux ...................................................................................................................................................... 35-38
Les poulies............................................................................................................................................. 39-60
Objectifs................................................................................................................................................................. 39
Mots-clés et définitions..................................................................................................................................... 39-40
Concepts-clés.................................................................................................................................................... 40-42
La hampe de drapeau....................................................................................................................................... 43-47
Le voilier........................................................................................................................................................... 49-53
Le palan à moufles........................................................................................................................................... 54-60
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
1
2
LES LEVIERS
Les Leviers
Informations générales
Objectifs
Les étudiants devront :
1. décrire les caractéristiques des leviers.
2. comprendre le fonctionnement des leviers.
3. étudier les relations entre la force, la distance, la direction et le travail.
4. comprendre les différences entre les trois classes de leviers et reconnaître comment les utiliser.
5. construire des exemples de différents types de leviers et démontrer leur fonctionnement.
6. analyser les objets et les outils selon les termes étudiés et en fonction de leur utilisation comme
leviers.
Les mots-clés et leurs définitions pour l’enseignant
Ce qui suit est une ressource pour l’enseignant. Selon l’âge, les habiletés, les connaissances de base et le
programme de votre cours, vous pourrez choisir d’utiliser certaines des définitions suivantes. Ces mots-clés ne sont
pas présentés comme une liste devant être apprise par coeur par les étudiants. Ils peuvent cependant être utilisés afin
de clarifier les concepts que les étudiants rencontreront en cours de route.
Les machines simples :
Un outil simple qui facilite un travail donné. Les machines les plus simples ne présentent qu’une seule partie mobile.
Elles facilitent un travail en changeant la façon dont ce travail s’effectue. Elles ne changent pas la quantité de travail
requise pour accomplir une action.
Le levier :
Élément rigide (par exemple : une barre, une tige ou une poutre) qui tourne ou est en rotation autour d’un point fixe
appelé le point d’appui. Cet élément est utilisé pour accomplir une tâche donnée (un travail).
Le point d’appui :
Point fixe qui permet au levier de tourner autour de lui. Ce point peut se situer à n’importe quel endroit sur la
longueur du levier.
Travail
Une tâche peut être accomplie lorsqu’on utilise un levier. En sciences, le travail réfère à l’usage d’une force pour
bouger une charge (un objet) sur une certaine distance. Le travail se définit ainsi :
T
Où T
F
D
=FxD
= travail
= force (effort) appliquée à la tâche
= distance sur laquelle la force est appliquée
NOTE : Si l’objet ne bouge pas, le travail n’a pas été accompli.
La force :
Toute traction ou poussée appliquée à un objet.
L’effort :
La force qui est appliquée pour bouger l’une des composantes d’une machine simple (par exemple : la force appliquée
pour faire un travail).
Le bras de levier moteur (ou bras de force)
La distance, sur le levier, à partir du point d’appui jusqu’à l’endroit où la force est appliquée.
La résistance :
La force exercée par l’objet (la charge) sur lequel on tente d’accomplir un travail; résiste à l’effort appliqué.
Le bras de levier résistant (ou le bras de charge) :
La distance, sur le levier, entre le point d’appui et le point où la résistance est appliquée.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
3
LES MACHINES SIMPLES
La charge :
L’objet (ou le poids) déplacé ou la résistance qui est vaincue grâce à un levier. Cette charge exerce une force
(résistance) contre le levier. Par exemple : le poids d’un objet lourd devant être déplacé ou la feuille de papier qui
résiste à l’action de ciseaux.
La résistance ou la charge
L’effort
Le bras de
levier moteur
(ou bras de force)
Le bras
de levier résistant
(ou bras de charge)
Les parties essentielles
d’un levier de classe 1
Le point d’appui
La friction :
La force produite par deux surfaces qui frottent l’une contre l’autre lorsqu’un objet est en mouvement.
L’effet mécanique :
Un calcul mathématique qui indique combien de fois une machine simple multiplie la force résultant de l’effort. Dans
le cas du levier, l’effet mécanique se calcule ainsi :
Longueur du bras de levier moteur
= Effet mécanique (EM)
Longueur du bras de levier résistant
L’effet mécanique est toujours exprimé comme un nombre sans unité. Exemple : EM = 2.
Les concepts-clés
Les informations suivantes résument quelques concepts-clés associés aux leviers et sont présentés à titre de
ressource pour l’enseignant. Vous trouverez peut-être cette information utile lorsque vous préparerez vos activités
en utilisant l’ensemble Introduction aux machines simples : les leviers et les poulies de K’NEX.
Un levier pivote autour d’un point fixe – de haut en bas ou d’un côté à un autre..
Pour utiliser un levier, un effort (poussée ou traction) est appliqué sur le bras de levier moteur. Le levier
transfère alors cette force afin de vaincre une résistance ou de déplacer une charge.
Un levier peut faciliter le travail de différentes façons :
Augmenter la force appliquée.
• Cette situation se produit lorsque le bras de levier moteur du levier est plus long que le bras de
résistance. Un petit effort, appliqué sur une longue distance, est multiplié par la machine afin de
déplacer la charge sur une petite distance. Ce qui est perdu en distance est gagné en force.
Faible effort
Force plus
grande exercée
sur la charge
levier
Distance
longue
Courte
distance
Point d’appui
4
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
• Plus le bras de levier moteur est long, plus le levier multiplie la force de l’effort.
• Exemples : - Ouvrir une bouteille de boisson gazeuse avec un ouvre-bouteille.
- Retirer un clou d’une planche de bois à l’aide d’un marteau.
- Déplacer une quantité de sable avec une brouette.
Changer la direction d’une force.
• Lorsque le point d’appui est situé entre le bras de levier
(un levier de classe 1, voir ci-dessous), le levier renverse
moteur et le bras de levier résistant,
toujours la direction de l’effort.
• Exemples :
- Lorsqu’on pousse un côté d’une bascule vers le bas, il résulte une force opposée qui fait monter l’autre
côté : un enfant peut donc facilement en soulever un autre.
Charge ou résistance
poussée vers le haut
Point d’appui
- En poussant le manche d’un
levier vers le bas, il est facile
de soulever le couvercle d’un
pot de peinture. Il est plus
facile de pousser vers le bas
que de tirer vers le haut pour
soulever le couvercle.
L’effort pousse
vers le bas
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
5
LES MACHINES SIMPLES
Augmenter la distance (rapport de distance) et augmenter la vitesse à laquelle un travail est effectué.
Pour ce faire, vous devez recourir à un levier de classe 1 ou 3 muni d’un bras de levier résistant long et
d’un bras de levier moteur court. Par exemple, les machines de guerre médiévales, connues sous le nom de
trébuchet, étaient utilisées pour lancer d’énormes boulets sur les murs des châteaux-forts durant les sièges.
Point d’appui
Poids lourd
utilisé pour
l’effort
Une charge légère
au bout d’un bras de
levier résistant long
Le trébuchet était en fait un levier de classe 1 gigantesque dans lequel le point d’appui était plus près du
point d’effort. Un énorme effort était appliqué vers le bas afin de faire bouger le long bras de levier résistant
sur plus de 6 mètres à une très grande vitesse. Ce mouvement propulsait les boulets sur une grande distance
à une vitesse encore plus grande. Les trébuchets provoquaient d’énormes dommages parce qu’ils lançaient
les boulets sur les murs d’un château à des vitesses pouvant excéder 160 km/h.
Les rames d’une chaloupe (levier de classe 1), une canne à pêche (levier de classe 3) et un bâton de hockey
(levier de classe 3) fonctionnent selon le même principe.
Visitez le http ://www.flying-pig.co.uk/Pages/lever2.htm pour voir un trébuchet en action (site en anglais).
Visitez le http ://www.cathares.org/mma-trebuchet.html pour voir des photos de reconstitutions de
trébuchets (site en français).
Le principe des leviers identifie une relation entre l’effort, la résistance et la distance du point
d’appui. Ce principe stipule qu’un levier est en équilibre lorsque :
Effort x sa distance par rapport au point d’appui = Résistance (charge) x sa distance par rapport au point d’appui
ou
E x BLM = R x BLR
Où
E = Effort
BLM = Bras de levier moteur
R = Résistance
BLR = Bras de levier résistant
En utilisant cette formule, vous pourrez déterminer comment obtenir un équilibre en utilisant un levier.
Par exemple :
Selon le diagramme suivant (fig. 1) illustrant un levier de classe 1, l’effort appliqué et la résistance sont à
égale distance du point d’appui. Pour soulever la charge (résistance), il faut fournir un effort de force égale
au poids de la charge.
Effort
Charge
Fig. 1
Point d’appui
6
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
Selon le diagramme suivant (fig. 2) illustrant un levier de classe 1, la distance entre l’endroit où
l’effort est appliqué et le point d’appui est deux fois plus grande que celle entre point d’appui et la
résistance (charge). Afin de soulever la charge, il faut appliquer un effort égal à la moitié du poids
de la charge. Selon le même raisonnement, la distance entre l’endroit où l’effort est appliqué et
le point d’appui est trois fois plus grande que celle entre point d’appui et la résistance (charge),
l’effort requis sera équivalent au tiers du poids de la charge à soulever.
2m
1m
Charge
Effort
Fig. 2
Point d’appui
Il existe trois types de leviers de base : les leviers de classes 1, 2 et 3.
Ils partagent tous les mêmes composantes : une tige ou une poutre rigide, un point d’appui, un point d’effort et un
point de résistance. Ils diffèrent seulement dans les positions qu’occupent le point d’appui, l’effort et la résistance.
Le levier de classe 1
Caractéristiques
(a) Le point d’appui est toujours positionné entre l’effort et la résistance.
E
PA
R
Fig. 3
(b) Cette classe de levier inverse toujours la direction de la force de l’effort : l’effort et la résistance bougent
toujours dans des directions opposées. Une poussée vers le bas sur le point d’effort résulte en une poussée (ou
une traction) vers le haut de la charge (résistance).
(c) Selon la distance entre le point d’appui et l’effort ou la résistance, certains leviers de classe 1 vont multiplier la
force de l’effort, alors que les autres vont augmenter la distance sur laquelle la charge (résistance) est déplacée.
Généralement :
• Plus le bras de levier moteur est long, moins l’effort requis pour soulever la
charge est grand.
Charge
Effort
Fig. 4
Point d’appui
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
7
LES MACHINES SIMPLES
• Plus le bras de levier résistant est long, plus l’effort requis pour déplacer la charge est
grand, mais plus la charge sera déplacée rapidement et sur une plus longue distance.
Effort
Charge
Fig. 5
Point d’appui
Exemples de leviers de classe 1 :
Balançoire à bascule; pied-de-biche; les “griffes” d’un marteau à panne fendue; les rames d’une chaloupe;
des ciseaux (deux leviers de classe 1 possédant le même point d’appui).
Un pied-de-biche est un exemple
de levier de classe 1.
E
Une paire de ciseaux est un exemple de
deux leviers de classe 1 fonctionnant
ensemble.
En serrant les poignées, on produit un effort, le rivet
est le point d’appui et la résistance du matériau à
découper est la charge.
R
Il est à noter que la force de coupe est plus grande
près du rivet. Les flèches montrent la direction des
forces.
PA
Les leviers de classe 2
Caractéristiques :
1.
La résistance (charge) se situe entre le point l’effort et le point d’appui.
PA
R
E
Fig. 6
8
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
2.
L’effort et la charge se déplacent dans la même direction – en soulevant le levier, la charge se
soulève également.
3.
Les leviers de classe 2 augmentent toujours la force de l’effort pour faciliter le travail parce que
la résistance se trouve toujours plus près du point d’appui que du point d’effort. Donc, le bras de
levier moteur est toujours plus long que le bras de levier résistant; plus le bras de levier moteur est
long, plus la force de l’effort est grande et la charge facile à déplacer. Grâce à un levier de classe 2, il
est possible de bouger une grande charge avec un minimum d’effort.
Charge
Fig. 7
Point d’appui
Effort
Exemples de leviers de classe 2 :
Brouette; massiquot (coupe-papier); porte à charnières; casse-noix (deux leviers de classe 2).­
La brouette est un levier de classe 2 dont la roue sert de point
d’appui et les poignées de bras de levier moteur. La charge est
placée dans la caisse située entre le point d’appui et le point
d’effort. (fig. 7)
R
E
R
PA
PA
E
PA
E
R
PA
R
E
Le casse-noix est composé de deux leviers de classe
2. L’effort est appliqué en pressant les deux poignées
ensemble; la charge est la résistance de la coquille de
noix à briser; le point d’appui est la charnière.
E
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
9
LES MACHINES SIMPLES
Les leviers de classe 3
Caractéristiques :
(a) Le point d’effort est situé entre le point d’appui et la résistance (charge).
PA
E
R
Fig. 8
(b) L’effort et la charge bougent dans la même direction (fig. 8). Par exemple, lorsque vous frappez une balle
avec un bâton de baseball, une raquette de tennis ou un bâton de golf, la balle frappée se dirigera dans la
même direction que le bâton ou la raquette.
(c) Les leviers de classe 3 augmentent la distance et la vitesse lorsqu’une force est appliquée. Appliquer un
effort près du point d’appui demande une grande force et le bras de levier moteur se déplace seulement
sur une petite distance. Le bout du bras de levier résistant, cependant, se déplace à travers une plus
grande distance, à une vitesse plus grande, mais à une force moindre. Selon la figure 9, la distance entre
la résistance et le point d’appui est deux fois plus grande que celle entre le point d’appui et l’effort. La
charge se déplace deux fois plus loin (pendant le même temps) que l’effort. Il faut cependant appliquer
deux fois plus d’effort que si on tentait de déplacer la charge sans le levier.
Distance parcourue
R
Fig. 9
PA
E
Par exemple, soulever un poisson avec une canne à pêche requiert en fait plus de force que de le soulever
avec une simple ligne. Cependant, la canne à pêche est utile pour accomplir le travail plus rapidement.
Un petit mouvement de vos mains près du point d’appui produit un mouvement plus large au bout de la
canne à pêche, mais dans le même temps. Comme résultat, le bout de la canne à pêche (et le poisson qui
y est attaché) bouge beaucoup plus rapidement que les mains et cette rapidité permet de sortir le poisson
de l’eau avant qu’il ne s’enfuie. (Fig. 10)
(NOTE : Un mouvement sec du poignet peut aussi propulser le leurre ou le ver très loin du pêcheur.)
Plus le point d’effort est près du point d’appui, plus la charge (résistance) se déplace
rapidement.
E
R
Fig. 10
PA
10
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
Exemples de leviers de classe 3 :
Une agrafeuse manipulée avec les deux mains*; un marteau qui enfonce un clou; une canne à pêche;
une raquette de tennis; un bâton de baseball; un bâton de golf.
Les pinces (brucelles) et les pinces à glace sont des exemples de deux leviers de classe 3 fonctionnant
ensemble.
(* Si l’agrafeuse est placée sur une surface plane et qu’on presse la partie supérieure pour agrafer, il s’agit d’un levier
de classe 2)
R
PA
E
R
E
PA
E
E
R
PA
PA
R
PA
E
Un petit mouvement des doigts pressant les deux bras de la
pince ensemble produit un long mouvement au bout de la
pince et permet de prendre un objet. La résistance de cet
objet est la charge.
R
Sites internet
http ://www.enchantedlearning.com/physics/machines/Levers.shtml
Ce site présente les notions étudiées sous forme d’animations. (En anglais.)
http ://www.lescale.net/machines/
Site présentant les notions des machines simples sous formes de petites histoires.
http ://www.sciencetech.technomuses.ca/francais/schoolzone/basesurmachines2.cfm
Site du Musée des sciences et technologies du Canada.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
11
12
LES LEVIERS
La Balançoire à Bascule :
La balançoire
à bascule
un exemple de levier de classe 1
Objectifs
Les étudiants devront :
1. comprendre le concept scientifique de travail et l’idée selon laquelle les machines simples
facilitent ce travail.
2. observer les caractéristiques des leviers pour en comprendre le fonctionnement.
3. identifier les façons dont ces leviers peuvent être utilisés au quotidien.
4. identifier le point d’appui, l’effort et la résistance sur une balançoire à bascule.
5. découvrir comment une balançoire à bascule fonctionne en tant que levier de classe 1.
Matériel
Chaque groupe de 2-3 étudiants aura besoin de :
Vous aurez besoin de :
- Un morceau de papier d’aluminium
d’environ 12cm x 12 cm
- De petits autocollants ronds - Un pot avec couvercle pouvant
ou des morceaux de ruban
être soulevé grâce au levier
adhésif
(ex. pot de peinture ouvert avec
un tournevis : levier)
- Un marqueur
- Un petit élastique d’environ 2,5 à
4 cm de long
- Journal de l’étudiant
(un pour chaque élève)
- Des pièces d’un cent ou de petits
trombones
- Une balance d’une portée de
200- 400 g (5 – 10 N)
- 1 Ensemble K’NEX Leviers et poulies
avec le livret d’instructions
- Exemples de leviers
(voir ci-dessous pour des
suggestions)
NOTE 1 : La première unité peut demander deux périodes de classe de 35 à 45 minutes pour être complétée.
NOTE 2 : Les termes résistance et charge sont interchangeables tout au long de l’unité.
NOTE 3 : Revoir les consignes de sécurité relatives à l’utilisation des élastiques (voir page 1 de ce guide).
Procédures :
Introduction
Si les étudiants n’ont jamais vu le concept de travail, demandez à 3 ou 4 d’entre eux de pousser contre un mur
pendant 1 minute. Ensuite, demandez à d’autres étudiants de pousser un livre sur leur bureau. Demandez aux
étudiants qui, selon eux, a accomplit un travail.
Ensuite, expliquez aux étudiants les notions de base sur le travail, la force, l’effort, la résistance et la charge
(page 3 de ce guide). Demandez-leur d’identifier d’où provient la force de l’effort et ce qui représente la résistance
ou la charge dans les deux exemples démontrés (pousser le mur ou le livre).
Demandez-leur si le mur ou le livre ont bougé. Expliquez que même si le groupe poussant contre le mur exerçait
une grande force de poussée, le mur n’a pas bougé et donc, d’un point de vue scientifique, aucun travail n’a été
accompli. Les élèves poussant les livres ont cependant exercé leur effort sur une plus longue distance– les livres
ont été déplacés sur les bureaux – et un travail a été accompli. Les étudiants peuvent noter leurs observations
dans leur journal.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
13
LES MACHINES SIMPLES
Expliquez aux étudiants qu’ils étudieront un exemple de machine simple – le levier – pour comprendre
comment elle peut faciliter l’accomplissement d’un travail. Procurez-leur la définition de ce qu’est une machine
simple s’ils n’ont jamais abordé cette notion. (Voir la page 2 du guide.)
Discutez ensemble du fait que le levier est probablement la plus ancienne machine connue – il était peutêtre utilisé pendant la préhistoire par les gens qui voulaient déplacer de gros rochers ou encore pour sortir les
mammouths des fosses utilisées pour les pièger. Expliquez qu’en observant bien, nous verrons que les leviers
sont utilisés partout. Même notre corps fonctionne sur le principe des leviers (nos bras et nos jambes en sont).
Demandez si quelqu’un peut expliquer
ce qu’un levier peut faire. Démontrez
comment un levier facilite l’ouverture d’un
pot de peinture en soulevant le couvercle.
Demandez aux étudiants de décrire
attentivement ce qui se produit lorsque
le levier est utilisé dans cette situation.
Demandez-leur aussi de penser à l’endroit
où la force doit être exercée sur le levier et
à l’endroit où le levier exerce une force sur
le couvercle.
Utilisez les explications recueillies par
les étudiants pour identifier les parties
principales du levier : le point d’appui, le
bras de levier moteur et le bras de levier
résistant. Dessinez un schéma au tableau
pour identifier ces parties.
Effort
Le levier pivote sur le rebord du pot de peinture.
En appliquant un effort (poussée vers le bas) sur l’un des
bouts du levier on crée un mouvement inverse à l’autre bout
et c’est ainsi que le couvercle est soulevé.
Le levier est une tige, un barreau ou une poutre. Le point
de pivot du levier est appelé le point d’appui; la partie du
levier comprise entre le point d’appui et l’endroit où l’effort
est appliqué se nomme le bras de levier moteur; la partie de
levier comprise entre le point d’appui et la charge (résistance)
est appelée le bras de levier résistant.
Résistance/Charge
Bras de levier
moteur
Bras de levier
résistant
Les parties principales
d’un levier de classe 1
Point d’appui
Aidez les étudiants à développer une définition fonctionnelle du levier (voir p. 3 de ce guide). Inscrivez leurs
définitions au tableau et demandez-leur de les inscrire dans leur journal et de l’illustrer en recopiant le
diagramme ci-dessus.
Demandez aux étudiants de penser à des exemples d’utilisation du levier dans leur vie quotidienne. Ils
nommeront sans doute les pieds-de-biche ou les ouvre-bouteilles. Insistez pour qu’ils nomment des objets
moins évidents. Pour les aider, suggérez-leur qu’ils observent le diagramme ci-dessus. Ils penseront sûrement
à la balançoire à bascule ou à la balance. Fournissez-leur des exemples : des ciseaux, une agrafeuse, une porte,
une paire de pinces, etc. Vous pouvez également mentionner un marteau, un casse-noix, ou autres. Demandez
aux étudiants de noter ces exemples dans leur journal.
Expliquez qu’il existe trois types de leviers partageant les mêmes composantes principales, mais dans des
agencements différents. Ils sont nommés, selon la façon dont ces composantes sont organisées, leviers de classe
1, 2 ou 3.
14
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
La balançoire
à bascule
Suggérez aux étudiants de chercher sur Internet pour obtenir des informations supplémentaires
à inscrire dans leur journal. Recommandez-leur de chercher grâce aux termes “machines simples”
et “leviers” avec un moteur de recherche comme Google.
Expliquez qu’ils étudieront plus particulièrement le levier de type “balançoire à bascule”. S’il y en a une dans la
cour de votre école, rassemblez les étudiants autour et demandez-leur d’identifier les principales composantes du
levier.
Vous pouvez leur démontrer que le levier facilite
vraiment l’accomplissement d’un travail en leur
demandant de vous soulever.
Ensuite, demandez à l’un des étudiants les plus
petits de s’asseoir à un bout de la balançoire et de
tenter de vous soulever pendant que vous êtez assis
complètement à l’autre bout. Si l’élève ne réussit
pas, demandez ce qui pourrait lui faciliter la tâche.
Si personne ne suggère que vous vous rapprochiez
du point d’appui, posez la question. La classe doit
réaliser que l’utilisation du levier peut permettre aux
plus petits d’accomplir un travail seul. L’usage de la
balançoire à bascule (un type de levier) rend un travail
impossible à réaliser seul, beaucoup plus facile.
Les étudiants doivent réaliser que personne
ne pourrait arriver à le faire seul.
Certains leviers peuvent aider à soulever
des charges très lourdes grâce à un
minimum d’effort.
Suggestion d’activité
Vous pourriez trouver utile de créer un tableau composé des mots dont vos étudiants auront besoin lors des
discussions et des expériences. Ce tableau pourrait être composé de petits cartons comportant le terme au recto
et sa définition au verso.
Activité de construction
Les étudiants sont divisés en équipes de deux et chaque équipe reçoit un ensemble K’NEX (Introduction aux
machines simples : les leviers et les poulies).
Demandez aux étudiants de repérez le Livret d’instructions. Si votre classe n’a jamais utilisé d’ensemble
de construction K’NEX auparavant, lisez avec eux la page contenant les informations générales sur la
construction. Portez une attention particulière aux connecteurs de couleur pourpre. Il est primordial que
les étudiants comprennent bien les principes de construction afin d’améliorer leur compréhension pendant
l’activité.
Établissez certaines consignes afin que toutes les pièces soient bien utilisées et rangées pour usage futur.
Rappelez qu’ils auront une période de 5 minutes après l’expérience pour ranger l’équipement.
Expliquez que l’objet construit sera une balançoire à bascule – un exemple de levier. Ils utiliseront ce modèle
afin de mieux comprendre (1) comment un levier peut faciliter l’accomplissement d’un travail donné et (2) à
identifier la classe auquel ce modèle de levier appartient.
Invitez les étudiants à construire la balançoire à bascule (Livret d’instructions p. 2 et 3). Nous recommandons
qu’un étudiant complète les étapes 1 à 3 et l’autre les étapes 4 à 8. Les parties pourront ensuite être
assemblées pour former la balançoire à bascule. (Vous pouvez aussi proposer que chaque équipe détermine
comment ils construiront le modèle, en leur allouant une période de 10 minutes. Ils apprendront à travailler
en coopération et à se diviser les tâches.)
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
15
LES MACHINES SIMPLES
Conseils pour la construction :
• Assurez-vous que les étudiants consultent attentivement le dernière page du Livret d’instructions pour
comprendre de quelle façon fonctionnent les connecteurs pourpres.
• En joignant les connecteurs pourpre aux connecteurs blanc et vert (étape 5), nous recommandons que les
courtes tiges vertes soient insérées dans le connecteur pourpre d’abord. Il sera plus facile de les insérer dans
les connecteurs vert et blanc.
• Si les balançoires à bascule des étudiants ne se balancent pas après l’assemblage, demandez-leur de vérifier
que toutes les tiges sont fermement installées dans les connecteurs et que toutes les parties sont orientées
selon les illustrations du livret.
Activité : Comment un levier peut-il vous aider à accomplir un travail ?
Distribuez des autocollants à chaque groupe et demandez aux étudiants d’inscrire les abréviations
(PA : Point d’appui; E : Effort; R : Résistance) sur les autocollants pour identifier les parties de la balançoire.
Demandez-leur de mettre les autocollants de côté pour l’instant.
PA - Point d’appui
R - Résistance/Charge
E - Effort
Rappelez aux étudiants de prendre des notes et de faire des croquis tout au long des activités. Ils les utiliseront
pour résumer leurs découvertes.
Distribuez à chaque équipe un morceau de papier d’aluminium, des pièces de monnaie ou des trombones, ainsi
qu’un élastique. Répétez les consignes de sécurité à propos des élastiques. Suivez les étapes suivantes pour guider
les étudiants à travers leur exploration des principes du levier.
Étapes :
1. (a) Sentir la charge : Placez votre main à plat contre votre surface de travail, paume vers le haut. Placez le paquet
composé de la feuille de papier d’aluminium et de trombones ( ou de pièces de monnaie) dans votre main :
ceci représente la charge. Levez votre main.
Les étudiants devraient être en mesure de sentir le poids de
(b) La charge est-elle lourde?
cette charge dans leur main. Cet exemple vous permet de
Pouvez-vous sentir le poids de cette
leur faire comprendre que le poids est aussi une force. L’effet
charge dans votre main?
d’utiliser un poids est le même que de pousser sur quelque
chose avec son doigt.
2.
(a) Utilisez le levier : Placez maintenant la charge à l’une des extrémités de la balançoire. Enroulez l’élastique
autour pour la maintenir en place. Que se produit-il? Poussez l’extrémité vide vers le bas pour soulever la
charge.
(b) Vous a-t-il semblé
plus facile ou plus
difficile de soulever
la charge?
(c) Dans quelle direction
avez-vous appliqué
un effort?
(d) Dans quelle direction
la charge a-t-elle
bougé?
(e) Quelles sont les
différences (de
direction) entre
soulever la charge
avec votre main ou
avec le levier?
16
Education®
Les étudiants doivent remarquer :
• La façon dont une extrémité de la balançoire baisse lorsque la charge y est
attachée et ne bouge pas tant qu’un effort n’est pas appliqué à l’autre extrémité.
• Soulever la charge n’était ni plus facile ni plus difficile avec ou sans le levier.
Le point d’appui se trouvant au milieu, le même effort est nécessaire pour
soulever la charge, avec ou sans le levier.
• NOTE : Certains étudiants peuvent penser qu’il était plus facile de soulever la
charge avec le levier. Discutez ensemble de moyens de développer un test qui
leur permettrait de vérifier leurs idées. Ils peuvent suggérer plusieurs moyens
de mesurer la charge et l’effort. Ils peuvent, par exemple, suggérer d’utiliser
des mesures non officielles (définir combien il faut de trombones pour
équilibrer la balançoire, etc.) ou en utilisant un dynamomètre.
• Ils ont appuyé sur l’une des extrémités qui a bougé vers le bas, alors que
la charge était soulevée. Ils peuvent donc en déduire que le levier inverse
la direction de l’effort.
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
3.
Demandez aux étudiants de
placer les autocollants identifiés
à l’endroit approprié pour chacun
d’eux sur la balançoire. Ils doivent
aussi dessiner deux flèches et les
poser pour indiquer la direction de
l’effort à chacune des extrémités.
La balançoire
à bascule
L’utilisation des flèches peut aider les étudiants
à visualiser ce qui se produit sur le modèle. Il leur
sera plus facile d’inscrire leurs observations et de tracer
de bons schémas.
4. Pour faciliter le travail : Demandez à chaque équipe de reconstruire sa balançoire de façon à ce que
le point d’appui soit plus près d’une des deux extrémités. Dessinez ce diagramme au tableau pour les aider.
E
5.
PA
R
Ils peuvent d’abord tenter de
trouver par eux-mêmes comment
faire cette modification sur le
dessin ou vous pouvez leur
indiquer de remplacer les tiges
jaunes sur l’un des côtés de la
balançoire par des tiges bleues (i)
et/ou par des tiges blanches (ii).
Demandez aux étudiants de prédire, tout en expliquant leur raisonnement, si les modifications apportées
à la balançoire peuvent changer l’effort nécessaire pour soulever la charge. Demandez-leur de vérifier leurs
prédictions en suivant les étapes suivantes, ou en inventant leur propre test :
(a) Placez la charge sur l’extrémité du bras le plus court.
(b) Poussez l’autre extrémité vers le bas.
(c) Que remarquez-vous?
(d) En comparant à l’état précédent
de la balançoire, lorsque le point
d’appui était centré, est-il plus ou
moins facile de soulever la charge?
(e) Quelle différence remarquez-vous
entre la distance parcourue par
le bras de levier moteur et celle
parcourue par le bras de levier
résistant (la charge)?
6.
Les étudiants doivent remarquer qu’il est plus facile de
soulever la charge lorsqu’elle est plus près du point d’appui.
Il doivent aussi observer que le bras de levier moteur se
déplace sur une plus grande distance, mais que l’effort
appliqué est plus petit.
(a) Placez la charge à l’extrémité du bras le plus long.
(b) Poussez l’autre extrémité vers le bas.
(c) Que remarquez-vous?
(d) En comparant à l’état premier de la balançoire, lorsque le point d’appui était centré, est-il plus ou moins facile
de soulever la charge?
(e) En comparant à l’état précédent de la
balançoire, lorsque le point d’appui était
plus près de la charge, est-il plus ou
moins facile de soulever la charge?
www. k nexeduc at ion. c om
Les étudiants devraient observer qu’il est plus difficile de
soulever la charge lorsqu’elle est plus éloignée du point
d’appui. Cette expérience démontre une autre utilité des
leviers : ils peuvent être utilisés pour augmenter ou diminuer
les mouvements, selon l’endroit où l’effort est appliqué.
Education®
17
LES MACHINES SIMPLES
7.
Demandez aux étudiants de regarder dans le livret
d’instructions pour découvrir à quelle classe de levier
la balançoire à bascule appartient.
8.
Réviser les caractéristiques du levier de classe 1 :
Classe 1
• où est situé le point d’appui?
Toujours entre l’effort et la résistance.
• quel effet le levier de classe 1 a-t-il sur la direction
de l’effort?
Il l’inverse.
• Lorsque le point d’appui est décentré, et que la
charge est placée près de celui-ci, quel effet le
levier a-t-il sur l’effort appliqué?
Il multiplie l’effort et facilite l’accomplissement
du travail.
Mise en application :
Demandez aux étudiants d’inscrire
dans leur journal 2 façons d’utiliser
un levier de classe 1 pour faciliter
l’accomplissement d’un travail.
Demandez aux étudiants de nommer une
situation pour laquelle un levier de classe
1 pourrait être utilisé pour soulever un
objet.
Invitez les étudiants à construire un
modèle de levier de classe 1 pouvant être
utilisé pour régler l’une de ces situations.
1. Les leviers de classe 1 change la direction de l’effort : une
poussée résulte en une traction de l’autre côté.
2. Les leviers de classe 1 peuvent augmenter la force d’un
effort lorsque la résistance est plus près du point d’appui
que le point d’effort. Un petit effort appliqué sur une plus
grande distance déplace une charge sur une petite distance.
Plus le bras de levier moteur est long, moins l’effort
nécessaire pour bouger la charge est grand.
Les étudiants peuvent utiliser un levier de classe 1 pour
soulever une charge lourde ou pour ouvrir une bouteille de
boisson gazeuse.
Suggestions pour un levier de classe 1 : un pied-de-biche, un
ouvre-bouteille.
Demandez-leur d’expliquer comment leur
levier fonctionne et comment il facilite
l’accomplissement du travail. Demandezleur d’identifier le point d’appui, l’effort et
la résistance.
Pour aller plus loin :
Utilisez un dynamomètre pour mesurer la force d’un effort appliqué pour soulever la charge lors des différentes
situations décrites dans les étapes 1 à 7. Attachez le dynamomètre à la charge pour mesurer l’effort nécessaire pour
la soulever. Ensuite, attachez le dynamomètre à l’extrémité du bras de levier moteur et poussez vers le bas pour
soulever la charge. Comparez les deux mesures obtenues dans chacune des situations suivantes :
(i) le point d’appui est centré
(ii) le point d’appui est plus près de
la charge
(iii) le point d’appui est plus près de l’effort
18
Education®
Les étudiants devraient observer que plus le point d’appui
est près de la charge, donc plus le bras de levier moteur est
long, plus la mesure sur le dynamomètre est basse (l’effort
nécessaire est moins grand).
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
La balançoire
à bascule
Vérification du journal :
✔
✔
✔
✔
Définition et identification du schéma d’un levier.
Exemples de leviers.
Observations suite aux expériences.
Fonctionnement d’un levier pour faciliter l’accomplissement d’un travail.
NOTES :
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
19
20
LES LEVIERS
La Balance :
La balance
un exemple de levier de classe 1
Objectifs :
Les étudiants devront :
1. identifier le point d’appui, la résistance et l’effort sur une balance.
2. déterminer à quelle classe de levier la balance appartient.
3. grâce à la manipulation, découvrir comment le fait de rapprocher la résistance du point
d’appui affecte l’effort nécessaire pour équilibrer la balance.
Matériel
Chaque groupe de 2-3 étudiants a besoin de :
- 1 ensemble K’NEX Leviers et poulies
ainsi que le Livret d’instructions
- 10 Rondelles de métal ou trombones
- Autocollants ronds
ou morceau de ruban
adhésif
- Journal de l’étudiant
(un pour chaque élève)
- Une règle
- Un petit objet : une gomme - Des pesées (grammes)
à effacer, morceau de craie…
NOTE : Le principe du levier (voir les concepts-clés, p. 3-4). Pendant les activités de cette unité,
vos étudiants déplaceront des rondelles/ pièces de monnaie/ poulies jusqu’à ce que le levier soit
équilibré. Vous devriez être au courant des opérations mathématiques utilisant ce concept afin
d’aider vos étudiants à équilibrer des équations mathématiques.
Procédure
Introduction
Demandez aux étudiants de se rappeler
que, lorsqu’ils jouent avec un ami sur
une balançoire à bascule, la poutre est
parfois parfaitement de niveau. Quel
autre mot peut être employé pour
décrire cet état?
Demandez-leur, selon eux, pourquoi
cet état d’équilibre se produit?
Les étudiants doivent répondre qu’elle est équilibrée.
Les étudiants répondront que les deux personnes ont le même
poids. Certains pourront avoir réalisé, après les expériences
faites avec la balançoire à bascule K’NEX, qu’il peut aussi s’agir
de l’endroit où sont situées chacune des personnes en rapport
avec le point d’appui.
Discutez avec eux des façons dont une balance peut vous aider à peser des objets, comme des pommes ou des
bonbons. Poussez la réflexion plus loin en discutant la façon dont une balance peut vous permettre de comparer
le poids de deux objets. Afin que la balance fonctionne, placez l’objet à peser sur l’un des côtés de la balance et
des pesées (grammes) sur le plateau opposé. Lorsque les deux plateaux contiennent exactement le même poids,
la balance est parfaitement horizontale.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
21
LES MACHINES SIMPLES
Les balances peuvent aussi être utilisées
pour faciliter le transport de charges
lourdes. Les étudiants peuvent observer
la photographie à la page 4 du livret
d’instructions. Demandez-leur pourquoi
le travail s’accomplirait plus facilement
de cette façon.
Vous devrez peut-être aider les étudiants afin qu’ils
comprennent qu’une charge lourde est divisée en deux parties
égales pour que le poids soit distribué également et équilibré
sur les épaules d’une personne.
Demandez aux étudiants de dessiner un schéma de quelque chose qui est en équilibre ou de décrire dans leur
journal une situation où la balance peut être utilisée.
Expliquez qu’ils construiront un modèle de balance pour continuer leur enquête sur les leviers. Une balance est
un autre exemple de levier et ils devront découvrir à quelle classe elle appartient. Ils observeront aussi ce qui se
produit lorsque les positions de la charge et de l’effort sont déplacées sur le levier.
Activité de construction
Divisez la classe en équipes de 2, maximum 3 étudiants, et distribuez 1 ensemble K’NEX de Leviers et poulies
à chacune des équipes.
Invitez les étudiants à construire le modèle de la balance (pages 4 et 5 du Livret d’instructions). Nous
suggérons que l’un des étudiants complète les étapes 1 et 2, et que l’autre assemble les pièces des étapes 3 à
7. Les parties pourront ensuite être assemblées comme démontré, afin de construire la balance.
Discutez avec la classe des différences observées entre le modèle de la balance et celui de la balançoire à
bascule construit au cours de l’activité précédente.
Activité d’exploration : Comment équilibrer une balance ?
Demandez aux étudiants d’utiliser des autocollants pour identifier les parties de la balance.
PA - Point d’appui
R - Résistance/Charge
E - Effort
Demandez aux étudiants à quelle classe de levier appartient la balance et quelles sont les raisons qui leur
permettent de la classer ainsi. Ils peuvent écrire les réponses dans leur journal, ainsi qu’y dessiner un schéma
de la balance.
Les étapes suivantes vous permettront de guider les étudiants dans leur découverte de la balance.
Étapes
1.
(a) Enlevez les plateaux gris (roues de
poulies grises) du modèle. Poussez
les crochets rouge et orange
jusqu’au bout de chacun des bras
de la balance. Une fois que les deux
bras sont en équilibre, observez et
décrivez, en utilisant le vocabulaire
approprié, la réaction de votre
modèle.
(b) Que se produit-il lorsque vous
appliquez une légère poussée
sur l’un des bras de la balance?
Expliquez vos observations.
22
Education®
La balance ne bougera plus parce que les forces agissant sur
chacun des bras sont équivalentes.
Lorsqu’une force est appliquée à l’un des côtés, la balance
bouge parce que les forces agissant sur chacun des bras ne
sont plus équivalentes. Le mouvement du bras de la balance
se fera dans la même direction que celui de la force qui lui
est appliquée.
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
La balance
(c) Discutez avec les étudiants de la manière dont cette activité permet d’observer qu’un objet
demeure stationnaire, ou au repos, jusqu’à ce qu’une force agisse sur lui.
2.
(a) Replacez les plateaux gris (poulies grises) de façon à ce qu’il y ait 2 poulies d’un côté et 1 de
l’autre. Poussez chacune des poulies jusqu’au bout des bras de la balance.
(b) Comment la balance réagit-elle?
Pourquoi ce phénomène se
produit-il?
Les étudiants doivent observer que le bras où sont placés
deux poulies s’abaisse alors que l’autre bras s’élève. La
balance réagit ainsi parce que les deux poulies sont plus
lourdes qu’une seule. Ils doivent comprendre que c’est le
résultat de deux forces inégales en action.
Les étudiants peuvent décider d’enlever ou d’ajouter une
poulie sur l’un ou l’autre des côtés. Ils devront ensuite
discuter leurs observations en termes de forces équilibrées
ou déséquilibrées.
3.
Demandez aux étudiants ce qu’ils
pourraient faire pour équilibrer
les forces sur le modèle.
4.
Demandez aux étudiants de retourner à leur modèle déséquilibré avec 2 poulies d’un côté et 1 de l’autre.
Demandez-leur de trouver une façon d’équilibrer le modèle sans enlever ou ajouter une poulie. Faites-leur
les suggestions suivantes si nécessaire :
(a) Glissez les poulies, une à la fois
vers le centre.
(b) Que se passe-t-il?
(c) Pourquoi cela se produit-il?
Les étudiants doivent observer que les bras de la balance
sont de niveau lorsque le plateau contenant deux poulies
est déplacé plus près du centre alors que l’autre plateau
demeure à l’autre extrémité. Parce que la charge est plus près
du point d’appui, un effort plus petit est nécessaire pour la
contrebalancer.
Rappelez aux étudiants l’activité précédente : avec la
balançoire à bascule, lorsqu’un petit effort était appliqué à une
plus grande distance du point d’appui, une charge (située plus
près du point d’appui) pouvait être soulevée plus facilement.
5.
Distribuez un tableau pour que les étudiants y inscrivent les résultats de la prochaine série d’activités
(étapes 6 à 8). Rappelez-leur qu’ils doivent toujours faire un schéma de leur modèle.
Bras de levier moteur
Nombre de rondelles
ou de trombones (poids)
Distance du point d’appui
www. k nexeduc at ion. c om
Bras de levier résistant/Charge
Objet
Distance du point d’appui
Education®
23
LES MACHINES SIMPLES
6.
(a) Transformez la balance de façon à ce qu’il y ait une poulie sur chacun des plateaux. Assurez-vous que les
plateaux soient à égale distance du point d’appui. Mesurez cette distance et inscrivez-la dans le tableau.
(b) Placez un petit objet sur le plateau
du bras de levier résistant. Utilisez
des rondelles ou des trombones
comme poids dans l’autre plateau.
Ajoutez autant de poids qu’il en faut
dans le plateau du bras de levier
moteur pour équilibrer la balance.
Les étudiants peuvent insérer une tige bleue à l’intérieur
des rondelles ou des trombones pour les stabiliser dans
le plateau.
(c) Comptez combien de trombones ou de rondelles vous avez utilisés pour équilibrer la balance. Inscrivez vos
résultats dans le tableau.
7.
(a) Déplacez la charge plus près du point d’appui. Équilibrez la charge en changeant la force de l’effort (poids).
Inscrivez vos résultats dans le tableau.
(b) Que remarquez-vous à propos de la longueur du bras de levier moteur et de la longueur du bras de levier
résistant?
(c) Avez-vous enlevé ou ajouté du poids? Pourquoi?
(d) Répétez cette étape, en bougeant la charge et en équilibrant la balance. Inscrivez les résultats dans le
tableau.
(e) Dessinez un schéma de la balance
dans votre journal pour démontrer
les positions du point d’appui, de
l’effort et de la résistance, ainsi que
la direction du mouvement des
forces en action.
8.
Les étudiants devront enlever du poids pour balancer la
charge : il faut appliquer un effort moins grand lorsque la
charge est plus près du point d’appui et que le bras de levier
moteur est plus long que le bras de levier résistant.
(a) Déplacez le point d’effort plus près du point d’appui. Équilibrez la charge en changeant la quantité d’effort.
Inscrivez les résultats dans le tableau.
(b) Que remarquez-vous à propos de la longueur du bras de levier moteur et celle du bras de levier résistant?
(c) Avez-vous ajouté ou enlevé du poids? Pourquoi?
(d) Recommencez en bougeant la charge et en rééquilibrant. Inscrivez vos résultats dans le tableau.
(e) Dessinez un schéma de la balance
dans votre journal pour montrer
les positions du point d’appui, de
l’effort et de la résistance (charge),
ainsi que les directions du
mouvement des forces en action.
Les étudiants doivent ajouter du poids pour équilibrer la
charge : il faut plus d’effort lorsque celui-ci est appliqué plus
près du point d’appui et que le bras de levier moteur est plus
court que le bras de levier résistant.
Mise en application
Discutez les résultats des expérimentations avec la classe. Cette enquête impliquait d’équilibrer des forces en
action sur le modèle et de démontrer que lorsqu’elles sont en équilibre, les forces d’un côté sont équivalentes à
celles de l’autre côté.
Demandez aux étudiants d’inscrire dans leur journal les procédés utilisés pour équilibrer le modèle. Ils doivent
comprendre que deux facteurs sont nécessaires pour équilibrer le levier :
1.
Le poids (la force) de la charge et de l’effort.
2.
La distance de l’effort et de la charge par rapport au point d’appui.
Lancez le défi aux étudiants d’écrire une règle générale pour équilibrer un levier et de l’inscrire dans leur
journal. Ils doivent déduire de leurs expérimentations que plus la charge est près du point d’appui, moins l’effort
nécessaire pour la soulever sera grand. Encouragez les étudiants à inclure une référence aux longueurs des bras
de levier moteur et de levier résistant (voir 7b et 8b ci-dessus).
24
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
La balance
Pour aller plus loin
1.
Utilisez des pesées (grammes) et une règle pour déterminer les relations mathématiques impliquées
dans l’équilibre du levier. Équilibrez le levier avec les pesées sur chacun des plateaux. Utilisez la règle
pour mesurer les distances de la charge et de l’effort par rapport au point d’appui lorsque le levier est équilibré.
Le principe des leviers suppose que pour qu’un levier soit équilibré :
Effort x sa distance au point d’appui = Résistance (charge) x sa distance au point d’appui
Ou
E x BLM = R x BLR
Où :
E = effort
BLM = bras de levier moteur
R = résistance
BLR = bras de levier résistant
NOTE : Pour simplifier l’activité, ignorer les unités.
2.
Les étudiants peuvent se faire assigner la tâche d’appliquer le principe des leviers pour trouver le poids d’un
objet inconnu en utilisant seulement une pesée de 10 grammes.
Vérification du journal :
✔
✔
✔
✔
Explication du moyen d’équilibrer une balance.
Schéma de la balance identifiant le point d’appui, l’effort, la charge et les directions du mouvement des forces en action.
Tableau complet des résultats des expérimentations.
La règle générale permettant d’équilibrer un levier.
NOTE : Vous pourriez vouloir présenter l’activité grâce à une paire de ciseaux (voir p. 35). Une paire de ciseaux
peut servir d’exemple pour relier deux activités sur les leviers de classe 1.
NOTES :
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
25
26
LES LEVIERS
La brouette :
La brouette
un exemple de levier de classe 2
Objectifs :
Les étudiants devront :
1. identifier le point d’appui, la résistance et l’effort sur le modèle de la brouette.
2. déterminer à quelle classe appartient la brouette.
3. démontrer comment la brouette fonctionne en tant que levier de classe 2.
4. modifier la brouette pour soulever une charge plus facilement.
Matériel
Chaque groupe de 2-3 étudiants aura besoin de :
- 1 Ensemble K’NEX Leviers et poulies
- Pièces K’NEX supplémentaires
- Marqueur
- Autocollants ronds ou
morceaux de papier
adhésif
- Une bonne quantité de
rondelles métalliques, de
trombones ou de pièces
de monnaie
- Un morceau de papier
d’aluminium ou de papier
d’emballage d’environ
15 x 20 cm
- Journal de l’étudiant
(un pour chaque élève)
Procédure
Introduction
Révisez les concepts des machines simples. Rappelez à vos étudiants qu’ils ont déjà vu, grâce au modèle de
la balançoire à bascule, qu’un levier peut nous aider à soulever une charge lourde (un adulte) avec un effort
relativement petit (le plus petit élève de la classe). Pour réussir, il fallait simplement que la charge soit le plus
près possible du point d’appui. Ce principe de base s’applique à tous les leviers – si une charge est située près
du point d’appui, il faut un effort plus petit pour la soulever.
Révisez les positions du point d’appui, de l’effort et de la charge sur un levier de classe 1. Référez-vous aux
exemples étudiés en classe ou à des objets dans la classe.
Demandez aux étudiants s’ils
utiliseraient une balançoire à bascule
ou une balance pour déplacer une
charge à travers leur cour arrière.
Demandez-leur d’expliquer leur
réponse.
Les étudiants devraient répondre que le modèle de la balançoire à
bascule déplace une charge verticalement et non horizontalement,
il ne serait donc pas utile dans cette situation. La balance pourrait
être utilisée, mais seulement s’ils pouvaient d’abord soulever la
charge sur leurs épaules.
Demandez-leur quel objet, selon eux, pourrait être utilisé plus adéquatement pour déplacer une charge dans
leur cour (ils pourront répondre, par exemple, un chariot ou une brouette). Expliquez-leur qu’ils poursuivront
leur découverte des leviers en construisant et en expérimentant le modèle de la brouette. Les étudiants peuvent
être familiers avec cet objet sans toutefois comprendre que c’est un type de levier. Expliquez que la brouette
est effectivement un levier, mais, parce qu’elle est munie d’une roue, elle ne sert pas seulement à soulever une
charge, mais aussi à la transporter puisque la roue réduit la friction avec le sol.
Posez-leur les questions suivantes :
(a) Quels types de charges peuvent habituellement être transportées dans une brouette?
(b) Comment les brouettes sont-elles chargées et déchargées?
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
27
LES MACHINES SIMPLES
Activité de construction
Organisez la classe en équipes de 2, maximum 3 étudiants. Distribuez 1 ensemble K’NEX Leviers et poulies à
chaque équipe.
Demandez aux étudiants de construire le modèle de la brouette (voir le livret d’instructions p. 6 et 7). Nous
recommandons qu’un étudiant construise les étapes 1 et 2, et que le second assemble les étapes 3 et 4. Les
parties pourront ensuite être assemblées, comme le démontre l’illustration, afin de compléter la brouette.
Conseil d’assemblage : Ajoutez des douilles d’écartement grises à l’axe, un de chaque
côté de la roue. Cette étape assure une plus grande stabilité de la brouette lors du
transport d’une charge.
Activité d’exploration : Comment un levier de classe 2 facilite-t-il le transport
d’une charge?
Encouragez les étudiants à observer attentivement leur brouette afin de découvrir le point d’appui, la charge
et l’effort.
Demandez-leur de préparer des autocollants en inscrivant les parties du levier :
PA - point d’appui
R - résistance/charge
E - effort
Demandez-leur d’identifier les parties de la brouette avec les autocollants.
Demandez aux étudiants de trouver à quelle classe de levier la brouette appartient et d’expliquer leur
raisonnement (ils peuvent observer des objets dans la classe pour trouver des indices). Au tableau, dessinez
le schéma suivant pour identifier les positions du point d’appui, de l’effort et de la résistance sur un levier de
classe 2. En utilisant ce schéma, demandez-leur de penser aux caractéristiques principales d’un levier de classe 2.
Inscrivez leurs réponses au tableau. Laissez ces informations au tableau comme références.
• La résistance est toujours plus
près du point d’appui que l’effort.
PA
R
E
• La résistance et l’effort se
déplacent toujours dans la même
direction.
• Le travail est facilité parce que
l’effort est appliqué à une grande
distance du point d’appui, donc
en utilisant un long bras de levier
moteur.
Les étapes suivantes vous permettront de guider les étudiants dans leur découverte du fonctionnement des leviers
de classe 2.
Étapes :
1.
(a) Demandez à un étudiant de chaque groupe de prendre une bonne quantité de trombones, de rondelles
métalliques ou de pièces de monnaie sur votre bureau. Demandez-leur de les transporter jusqu’à leur poste
de travail en utilisant une seule main.
(b) Était-il difficile de transporter cette charge jusqu’à leur poste de travail?
(c) Plusieurs d’entre vous ont réussi à
transporter ces objets jusqu’à leur
place sans rien échapper. Si vous
aviez dû transporter une poignée
de sable, auriez-vous réussi?
28
Education®
Les étudiants doivent s’apercevoir qu’il est facile de laisser
tomber des objets en les transportant dans leurs mains.
Le sable coulerait encore plus facilement entre leurs doigts.
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
2.
La brouette
(a) Donnez à chaque groupe une feuille de papier d’aluminium ou d’embalage.
(b) Doublez le plateau de la brouette avec la feuille. Remplissez la brouette de trombones, rondelles
métalliques ou pièces de monnaie. Utilisez la brouette pour soulever, déplacer et décharger
la charge. Assurez-vous de décharger le tout par le devant de la brouette, et non par le côté.
3.
(c) Qu’avez-vous remarqué lorsque
vous déplaciez les objets à l’aide
de la brouette? Quel type de charge
serait-il facile de déplacer avec
la brouette et pourquoi?
Les étudiants pourront remarquer qu’il est plus facile de
soulever les objets grâce à la brouette qui les contient, alors
que le seul effort qu’ils doivent accomplir est de soulever
les poignées. La brouette peut être utilisée pour déplacer
plusieurs types de charges, mais elle est particulièrement
utile pour déplacer plusieurs objets (comme du sable ou de
la brique).
(d) Imaginez que vous deviez donner à
quelqu’un qui n’a jamais utilisé de
brouette des instructions précises
sur son fonctionnement. Inscrivez
dans votre journal les étapes que
cette personne devrait accomplir.
Les étudiants devraient nommer les étapes suivantes :
Placer les objets dans le plateau de la brouette – appliquer
un effort sur les poignées en les soulevant afin de faire pivoter
la brouette sur sa roue – appliquer un effort vers l’avant pour
déplacer la brouette – la roue aide à diminuer la friction avec
le sol pendant que la brouette est déplacée – appliquer un
effort encore plus grand pour soulever la brouette jusqu’à
ce que la charge se vide – baisser les poignées afin que
la brouette touche à nouveau le sol.
(a) Une charge bien plus lourde doit être déplacée. Quels changements pourriez-vous apporter à la brouette
pour permettre de déplacer cette charge, sans toutefois devoir recourir à un effort plus grand? En utilisant
les pièces K’NEX supplémentaires, apportez ces changements au modèle de votre brouette. (Vous pouvez
donner aux étudiants un indice en leur rappelant qu’ils ont déjà vu quelques principes qui pourraient les
aider en étudiant la balançoire à bascule et la balance.)
(b) Quels changements avez-vous apportés à votre modèle?
(c) Pourquoi avez-vous choisi d’apporter
ces changements en particulier?
La brouette est un levier de classe 2, alors pour faciliter
le travail, les étudiants devraient allonger les poignées de
la brouette. L’éloignement de l’effort par rapport au point
d’appui rend la charge plus facile à soulever.
Mise en application
Révisez les caractéristiques d’un levier de classe 2 :
(a) À quel endroit le point d’appui
est-il situé?
À une extrémité du levier, plus près de la charge que de l’effort.
(b) L’effort et la résistance bougent-ils
dans des directions opposées,
comme dans le cas des leviers
de classe 1?
Non. L’effort et la résistance se déplacent toujours dans
la même direction. En soulevant le levier, la charge se
soulève aussi.
(c) Que se passe-t-il lorsque l’effort est
appliqué sur un levier dont l’effort
se situe loin du point d’appui?
La force de l’effort est augmentée et ceci facilite le travail.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
29
LES MACHINES SIMPLES
Demandez aux étudiants d’inscrire dans
leur journal les raisons pour lesquelles
la brouette est un levier de classe 2 et
quels sont les avantages de son utilisation
pour déplacer une charge. Ils doivent
également inclure des schémas de leur
modèle.
En utilisant les pièces K’NEX, invitez les
étudiants à construire un autre exemple
de levier de classe 2. Demandez-leur
d’expliquer comment cette machine
fonctionne et pourquoi elle appartient aux
leviers de classe 2.
Les étudiants doivent comprendre que l’effort est plus éloigné
du point d’appui que la charge et que plus le bras de levier
moteur est long, plus il multiplie la force de l’effort. Il est
donc possible de soulever une charge très lourde grâce à un
minimum d’effort.
Suggestions pour un modèle de levier de classe 2 :
porte, levier de commande, etc.
Pour aller plus loin
En utilisant certains livres ou en consultant internet, chercher ce qu’est un travois. Quelle utilisation en faisaient les
Amérindiens des Prairies? Expliquer que ce ne sont pas toutes les cultures qui utilisaient la roue pour le transport de
charges lourdes.
Expliquez quelles sont les ressemblances entre le travois et la brouette. Ce site internet peut vous servir de référence :
http ://www.albertasource.ca/metis/fr/beginnings/technology_travelling.htm ou chercher travois sur un moteur de
recherche comme Google.
Comme la brouette, le travois est une machine simple utilisée
pour le transport de charges lourdes. Il consiste en deux
longues perches attachées à un cheval ou à un chien.
La charge est placée entre ces deux perches. L’animal tire
la charge en marchant et les extrémités des perches traînent
sur le sol. Le travois ressemble à la brouette, sans la roue;
il est tiré plutôt que poussé.
Vérification du journal :
✔
✔
✔
30
Identification de la brouette en tant que levier de classe 2.
Caractéristiques d’un levier de classe 2, ainsi que les schémas.
Les raisons pour lesquelles ce type de levier facilite l’accomplissement d’un travail.
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
Le Bâton de Hockey :
LES LEVIERS
Le bâton de hockey
un exemple de levier de classe 3
Objectifs :
Les étudiants devront :
1. identifier le point d’appui, l’effort et la résistance sur un bâton de hockey.
2. déterminer à quelle classe appartient le bâton de hockey.
3. démontrer comment le bâton de hockey fonctionne en tant que levier de classe 3.
4. grâce à certaines mesures, démontrer comment un levier de classe 3 peut augmenter
la distance et la vitesse suite à l’application d’une force.
Matériel
Chaque groupe de 2-3 étudiants a besoin de :
Vous aurez besoin
- 1 Ensemble K’NEX Leviers
et Poulies
- Des papiers de notes
autocollants
- Marqueur
- Journal de l’étudiant
(un pour chaque élève)
- d’exemples d’équipement
de sport : bâtons de hockey,
de baseball, de golf, raquette
de tennis… (vérifiez auprès
du Département d’Éducation
physique de votre école)
- Ruban à mesurer
- Des autocollants ronds ou des
morceaux de ruban adhésif
Procédure
Introduction
Expliquez aux étudiants qu’ils découvriront un autre type de levier : le levier de classe 3. Demandez-leur
de rappeler les façons dont les deux classes de leviers précédentes pouvaient faciliter un travail donné –
en changeant la direction de la force et en multipliant une force.
Expliquez que pour bouger un objet en utilisant un levier de classe 3, il faut beaucoup plus d’effort que si on
tentait de le déplacer sans le levier. Demandez aux étudiants pourquoi, selon eux, peut-on alors vouloir utiliser
ce type de levier.
Cherchez d’autres choses que le levier peut faire. Aidez les étudiants à découvrir que nous pouvons employer
les objets pour les soulever ou les déplacer, mais aussi pour les déplacer plus loin et plus rapidement.
Demandez à la classe de nommer des situations où il pourrait être demandé de déplacer un objet très
rapidement sur une longue distance et pourquoi il faut s’attendre à devoir exercer un effort assez grand
sur une courte période de temps. (Si nécessaire, donnez quelques indices relatifs aux sports.)
Expliquez que plusieurs morceaux faisant partie d’équipements de sports conventionnels sont en fait des
leviers de classe 3. Les gens les utilisent pour envoyer une rondelle de hockey ou une balle. Demandez quelques
exemples de ces équipements.
Ayez à votre disposition diverses pièces d’équipement sportif (ou des photographies si vous n’avez pas accès
aux objets). Encouragez les étudiants à créer un collage avec des photos de leviers de classe 3 utilisés comme
équipement sportif.
Expliquez aux étudiants qu’ils construiront un bâton de hockey afin d’examiner les caractéristiques du levier
de classe 3.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
31
LES MACHINES SIMPLES
Activité de construction
Organisez la classe en équipes de 2 (maximum 3) étudiants et distribuez 1 ensemble K’NEX Leviers et Poulies
à chaque équipe.
Invitez les étudiants à construire le bâton de hockey (p. 8 du Livret d’instructions).
Activité d’exploration : Comment un levier de classe 3 peut-il nous aider à
déplacer une charge plus rapidement ?
Les étudiants devraient explorer leur machine pour découvrir où sont situés le point d’appui, la charge et
l’effort. Demandez-leur de regarder la photographie de la page 8 du livret d’instructions et d’observer la position
des mains du joueur de hockey. Ensuite utilisez le bâton modèle pour frapper de petites boules de papier.
Rappelez aux étudiants qu’ils est important que leurs mains soient positionnées comme celles du joueur sur
la photographie.
Demandez aux étudiants :
(a) Quelle main agit comme le point d’appui?
(la main du haut)
Note : Il peut être difficile pour les étudiants de
réaliser que leur poignet est le point d’appui : leur
poignet fournit le point de rotation – exactement
comme la charnière d’une porte.
(b) Quelle main fournit l’effort? (main du bas)
(c) Où est la charge? (rondelle)
Demandez aux étudiants de préparer des autocollants ou des morceaux de papier adhésif et d’y inscrire :
PA - Point d’appui
R - Résistance/charge
Discutez avec la classe de l’endroit où devraient
se trouver les autocollants. Dessinez un schéma
au tableau et demandez aux étudiants de faire la
même chose dans leur journal, tout en identifiant
les parties du bâton de hockey. Ils peuvent aussi
inscrire une phrase qui explique en quoi le
fonctionnement d’un levier de classe 3 diffère
de celui d’un levier de classe 2.
E - Effort
L’effort est plus près du point d’appui que la charge.
Étapes :
1.
32
(a) Chacun votre tour. Utilisez seulement une main pour
cette expérience. Tenez votre bâton de hockey sur le bout
du bâton en positionnant vos doigts sur le connecteur
gris. Étendez votre bras sur le poste de travail de façon à
ce qu’il soit bien aligné avec le rebord du bureau.
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
Le bâton de hockey
(b) Sans bouger votre bras, pliez votre poignet à
l’opposé du bureau afin d’éloigner le bâton de
hockey du rebord. Faites attention à la distance
que parcours votre poignet et celle parcourue
par le bâton.
(c) Que remarquez-vous ?
Les étudiants devraient remarquer qu’un petit
mouvement de leur poignet déplace le bâton
sur une distance relativement longue.
NOTE : Quelques étudiants pourraient
trouver difficile à comprendre que le bout
du bâton bouge plus loin et plus rapidement
que le poignet. Ils penseront que parce qu’ils
interagissent, ils bougent à la même vitesse.
Vous pouvez démontrer la différence de la
vitesse du mouvement de la manière suivante.
Demandez à deux étudiants de tenir entre eux
un bâton de hockey ( ou un manche à balai).
L’étudiant A représente le poignet, l’étudiant
B l’extrémité du bâton de hockey. Demandezleur de tourner d’un quart de cercle. Les autres
étudiants devraient remarquer les points de
départ de chacun d’entre eux. En tournant,
l’étudiant représentant l’extrémité du bâton de
hockey devra bouger plus vite pour garder le
rythme de l’étudiant représentant le poignet.
L’étudiant B se sera déplacé plus loin que
l’étudiant A.
2.
Étudiant B =
extrémité
du bâton
Étudiant A
– Poignet
Distances
Distribuez des rubans à mesurer et demandez aux étudiants de répétez l’expérience de l’étape 1 en
suivant les procédures suivantes :
(a) Placez votre main à l’extrémité du bâton en plaçant vos doigts sur le connecteur gris. Vos doigts
agissent comme la force de l’effort. Répétez l’étape 1 (b), mais cette fois votre partenaire devrait
mesurer la distance à partir du rebord du bureau jusqu’à l’endroit où se trouve votre main tenant le
connecteur gris. Alors, il peut mesurer la distance entre le rebord du bureau et le connecteur jaune.
(b) Que remarquez-vous ?
Inscrivez vos mesures.
3.
En utilisant les deux mains,
essayez de frapper une balle
de papier avec le bâton. Que
remarquez-vous à propos de
la distance parcourue et de
la vitesse ?
www. k nexeduc at ion. c om
Les étudiants devraient remarquer des différences
significatives entre les deux mesures. Selon la flexibilité de
leur poignet, la distance parcourue par l’extrémité du bâton
pourrait être quatre fois plus grande que celle parcourue
par le poignet.
Les étudiants devraient remarquer qu’elle a bougé plus vite
et plus loin que leurs mains.
Assurez-vous que les étudiants retrouvent les boules de
papier afin de ranger la classe.
Education®
33
LES MACHINES SIMPLES
Mise en application
Demandez aux étudiants
d’écrire dans leur journal ce que
les mesures prises précédemment
suggèrent à propos du
fonctionnement d’un bâton
de hockey.
Expliquez que le joueur de hockey
photographié à la page 8 du
livret d’instructions aurait besoin
qu’on apporte une amélioration
à son bâton de hockey pour lui
permettre de compter plus de
buts. Il sait qu’il ne frappe pas la
rondelle assez rapidement, mais
il ne sait pas s’il devrait acheter
un bâton plus long ou plus court.
Votre tâche est de répondre à sa
question, tout en apportant les
preuves de votre raisonnement.
Communiquez vos conclusions à
la classe.
Ils devraient expliquer que le bâton bouge plus loin et plus vite que
leurs mains. Il permet donc de déplacer la rondelle rapidement à
travers la patinoire, bien que, à cause de la proximité de l’effort et
du point d’appui, un effort plus grand soit requis pour déplacer une
petite charge.
Les étudiants doivent allonger le bâton. Une rondelle stationnaire
nécessite un grand effort afin de passer de l’état stationnaire à une grande
vitesse sur une courte période de temps. Un bâton plus long permet à
l’extrémité du bâton de se déplacer sur une distance encore plus grande
– l’expérience proposée à la page 33 le démontre bien. Le désavantage
d’utiliser un bâton plus long est que la charge se trouve encore plus
loin du point d’appui et nécessite donc un plus grand effort, et une plus
grande adresse pour manipuler le bâton.
Un bâton plus court nécessite un effort plus petit pour déplacer la charge
qui se trouve plus près du point d’appui, assure un meilleur contrôle sur
le tir, mais la rondelle ne se déplacera pas aussi rapidement.
NOTE : Vous pouvez aussi démontrer ce concept en demandant à un
étudiant utilisant un balai à manche long et un autre utilisant un balai
à manche court, de balayer un certain espace.
Pour aller plus loin :
1.
En cherchant à la bibliothèque ou sur internet, explorer les leviers de classe 3 utilisés dans les sports
(baseball, softball, tennis, golf, pêche…). Comment la conception de ces divers objets permettent-ils aux
sportifs d’accomplir une action donnée? Comment les sportifs font-ils pour accomplir les objectifs de leur
sport? Ce site internet, par exemple, présente un court reportage sur le bâton de baseball : http ://exn.ca/
stories/2000/10/13/55.asp
2.
Les étudiants peuvent construire, grâce aux pièces K’NEX, un modèle d’une autre pièce d’équipement
sportif. Ils peuvent expliquer comment ce levier fonctionne. Le point d’appui, l’effort et la charge doivent
être identifiés.
3.
Si possible, présentez quelques vidéos montrant des sportifs utilisant ce type d’équipement sportif afin que
les étudiants puissent observer les leviers de classe 3 en action.
Vérification du journal :
✔
✔
✔
34
Identification du bâton de hockey comme levier de classe 3.
Schéma identifié d’un bâton de hockey.
Mesures et explications à propos de l’utilité du bâton de hockey pour le joueur.
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
Une Paire de Ciseaux :
LES LEVIERS
Ciseaux
un exemple de deux leviers de classe 1 fonctionnant ensemble
Objectifs :
Les étudiants devront :
1. identifier comment les ciseaux sont composés de deux leviers de classe 1.
2. démontrer comment la paire de ciseaux fonctionne en identifiant le point d’appui, l’effort et
la résistance.
3. découvrir d’autres exemples d’outils servant à couper, qui fonctionnent selon le même principe
que les ciseaux. Identifier comment cette construction leur permet d’accomplir un travail
donné.
NOTE : Vous pourriez présenter cette activité immédiatement à la suite des
activités sur les leviers de classe 1 (balançoire à bascule et balance).
Matériel
Chaque groupe de 2-3 étudiants
aura besoin de :
- 1 Ensemble K’NEX Leviers
et Poulies
- Petits rouleaux
d’argile
- Journal de l’étudiant
(un pour chaque
- Des autocollants ronds ou des élève)
- Marqueur
morceaux de papier adhésif
- Des pièces K’NEX
supplémentaires
Vous aurez besoin de :
- Une paire de ciseaux
- Carton, papier, tissus, fil de cuivre, branche d’arbre
- D’autres exemples d’objets coupants : sécateur,
ciseaux de couturière, ciseaux de coiffeur,
taille-haie, etc.
NOTE 1 : Demandez au concierge de l’école s’il peut vous fournir ces objets.
NOTE 2 : Utilisez ces objets seulement à fin de démonstration.
Procédure
Introduction
Expliquez aux étudiants qu’ils ont exploré les 3 classes de leviers, mais que quelques objets utilisés dans le
quotidien sont en fait des leviers doubles.
Expliquez qu’ils étudieront un objet très familier, les ciseaux, pour découvrir comment ils fonctionnent et
pourquoi ils sont considérés comme une machine simple.
Révisez les différents types de matériaux que les ciseaux (ou les différentes sortes de ciseaux) peuvent couper.
Expliquez que la forme et la taille des ciseaux varient en fonction de ce qu’il faut couper.
Activité de construction
Divisez la classe en équipes de 2 (maximum 3 étudiants) et distribuez 1 ensemble K’NEX Leviers et
poulies à chacune des équipes.
Demandez aux étudiants de construire les ciseaux (p. 9 du livret d’instructions). Nous recommandons
qu’un étudiant complète l’étape 1 et l’autre l’étape 2. Les parties peuvent ensuite être assemblées.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
35
LES MACHINES SIMPLES
Activité d’exploration : Comment les ciseaux fonctionnent-ils en tant que
leviers doubles ?
Étapes :
1.
(a) Demandez à un membre de chaque
équipe de tenir le modèle de ciseaux
de façon à ce que les lames soient en
position horizontale. Demandez-leur
ensuite de tenir les ciseaux par une
seule des poignées afin de laisser une
des lames se balancer librement.
(b) Demandez à la classe de nommer un
concept scientifique utilisé pour faire
fonctionner les ciseaux. Donnezleur un indice : ils ont étudié les
leviers, alors est-ce que les ciseaux
fonctionnent comme un levier?
(c) Demandez-leur d’identifier où sont
situés le point d’appui, l’effort et la
résistance.
Faites la démonstration grâce à votre propre paire de ciseaux.
Oui, les ciseaux possèdent un point d’appui, le rivet, autour
duquel chaque levier pivote.
La résistance est l’objet coupé par les ciseaux.
(d) Si nécessaire, aidez-les à identifier les deux leviers.
2.
(a) Dessinez un schéma au tableau pour illustrer que les ciseaux sont bel et bien constitués de deux leviers de
classe 1.
E
R
PA
(b) Attirez l’attention des étudiants
sur les flèches représentant le
mouvement de chacun des leviers.
Demandez-leur quel est l’effet sur la
force, habituellement, pour un levier
de classe 1.
Les étudiants devraient répondre que la machine inverse la force.
Oui, en observant le schéma avec attention, il est possible de
voir que c’est le cas aussi pour les ciseaux.
Est-ce la même chose pour ces
leviers?
(c) Demandez d’identifier les parties sur leur modèle grâce aux autocollants.
PA - Point d’appui
3.
R - Résistance/charge
E - Effort
Faites une démonstration en coupant une feuille de papier. Soulignez le fait que les deux lames fonctionnent
en se croisant et coupe un objet par cisaillage.
Note pour l’enseignant : Les rebords affûtés des lames sont en fait des coins fonctionnant dans des
directions opposées l’une à l’autre. Voir l’ensemble K’NEX Introduction aux machines simples : les roues,
les axes et les plans inclinés pour de plus amples informations sur les coins.
36
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
Ciseaux
Les étapes suivantes vous permettront de guider les étudiants dans leur découverte du fonctionnement
des leviers de classe 1 doubles.
4.
(a) Placez un morceau d’argile (10 x 3 cm) entre les lames de votre modèle (sur le sens de la longueur)
et serrez les deux poignées, comme si vous coupiez du papier.
(b) Que remarquez-vous à propos de la profondeur de la marque laissée par vos ciseaux ?
• Y a-t-il un endroit où cette
marque est plus profonde ?
• Que pouvez-vous conclure du
fonctionnement des ciseaux ?
(c) Pourquoi voudriez-vous couper plus
près du point d’appui? Pourquoi
voudriez-vous couper plus près de
l’extrémité des lames ?
Les étudiants devraient remarquer que la marque est plus
profonde près du point d’appui. À partir de cette observation,
ils peuvent déduire que les ciseaux coupent mieux près du
point d’appui et moins bien lorsqu’on s’en éloigne.
Ils doivent comprendre qu’ils voudront couper avec les
extrémités pour faire de petites encoches ou pour couper un
matériau plus mince. Pour couper quelque chose de plus
épais, on utilise la lame plus près du point d’appui.
(d) Inscrivez les résultats dans
votre journal.
5.
6.
En utilisant les informations que
vous connaissez déjà à propos
des leviers de classe 1, comment
expliquez-vous que la force de
coupe soit différente le long des
lames des ciseaux ?
Les étudiants peuvent affirmer que lorsque la résistance
se situe près du point d’appui, l’effort nécessaire pour la
déplacer est plus petit. Plus la résistance s’éloigne du point
d’appui, plus l’effort nécessaire pour déplacer la même
charge est grand. Le même phénomène explique le cas des
ciseaux : couper plus près du point d’appui est plus facile
que de couper près des extrémités. Si nécessaire, dessinez
un schéma pour illustrer ce phénomène.
(a) Montrez aux étudiants des outils fonctionnant selon le même principe que les ciseaux (exemples : sécateurs,
ciseaux de couture, ciseaux de coiffure, etc.)
(b) Discutez le fait que tous les outils conçus pour couper sont fabriqués selon le même principe, mais que,
selon l’usage projeté, ils seront assemblés différemment.
(c) Posez les questions suivantes pour chacun des exemples :
• Quel matériau cet outil sert-il
à couper ?
• Des ciseaux normaux
pourraient-ils couper ce
matériau ?
• Comment la construction
spécifique de cet outil lui
permet-elle de couper des
matériaux que les ciseaux
ne pourraient couper ?
www. k nexeduc at ion. c om
Si possible, présentez ces outils en action. Vous pourrez en
démontrer l’efficacité ou l’inefficacité dans des situations
particulières.
Les étudiants pourront voir que les outils munis de lames
courtes et de longues poignées sont utilisés pour couper des fils
métalliques ou des branches – ce sont des matériaux difficiles à
couper nécessitant un effort plus grand. Les poignées sont plus
longues pour multiplier la force de serrage (effort) alors que les
lames courtes font en sorte que la résistance se retrouve plus
près du point d’appui. En comparaison, les ciseaux de coiffure
ont tendance à avoir de longues lames et de courtes poignées
parce qu’ils sont conçus pour couper droit sur une distance
relativement longue. De plus, les cheveux sont faciles à couper
et demandent donc un effort plus faible.
Education®
37
LES MACHINES SIMPLES
Mise en application
Expliquez dans votre journal :1. pourquoi les ciseaux sont considérés commes des leviers doubles ?
2. comment fonctionnent-ils ?
Incluez un schéma étiquetté afin d’illustrer votre explication
Dessinez les schémas d’autres outils coupants tout en indiquant la position du point d’appui, de l’effort et de la
résistance. Ajoutez des notes pour décrire comment la conception particulière de chacun de ces outils permet de
couper des matériaux différents.
Modifiez votre modèle K’NEX afin de lui donner plus de force de coupe. Essayez votre nouveau modèle en
coupant le morceau d’argile. Dessinez votre nouveau modèle et expliquez comment il fonctionne et de quelle
façon ces modifications rendent les ciseaux plus forts.
Pour aller plus loin
Explorez les divers types de leviers doubles et construisez-les grâce à l’ensemble K’NEX. Expliquez comment les
leviers doubles, selon la classe à laquelle ils appartiennent, facilitent l’accomplissement d’un travail donné. Par
exemple, un casse-noix est un exemple de levier double de classe 2. Un effort très grand est nécessaire pour briser la
coquille de la noix. Il est pratiquement impossible de le faire à la main. En utilisant cette machine simple, vous vous
assurez que c’est la machine, et non votre main, qui fournit un effort plus grand.
Vérification du journal :
✔
✔
✔
✔
Explication de l’endroit où les ciseaux coupent le mieux.
Explication, grâce au schéma, de l’appartenance des ciseaux aux leviers de classe 1.
Explication de l’influence de la construction des ciseaux sur le travail à accomplir.
Explication de l’influence de la construction des autres types de leviers doubles sur le travail
à accomplir.
Activités de conclusion pour l’unité sur les leviers
Suggérez aux étudiants de chercher sur internet (ou dans un livre) des informations supplémentaires sur les leviers.
Recommandez-leur d’entrer les mots : machines simples dans un moteur de recherche tel que Google.
En travaillant en équipe, les étudiants peuvent observer attentivement les exemples de leviers présents dans la classe
(ou des photographies d’objets que vous aurez apportées) et les regrouper selon la classe à laquelle ils appartiennent
(en observant la position du point d’appui, de l’effort et de la résistance). Ils doivent préciser l’endroit où ils
appliquerait l’effort et l’endroit où la machine exerce une force sur un autre objet. Les idées et observations doivent
être notées dans leur journal.
Demandez aux étudiants de penser en quels points notre vie serait différente sans l’usage des machines simples.
Demandez-leur de réfléchir aux conséquences de l’utilisation des leviers dans notre vie quotidienne.
Défi de construction
Votre classe a été invitée dans un verger pour cueillir des pommes. Le verger, cependant, ne possède pas suffisament
d’échelles pour toute la classe. Votre défi est de concevoir un outil pouvant être utilisé par quelqu’un demeurant
au sol pour cueillir les pommes sans les abîmer ou les faire tomber. En utilisant l’ensemble K’NEX et d’autres
matériaux, construisez un levier qui facilitera la cueillette des pommes dans les arbres. Expliquez en quoi votre outil
est un levier et comment il vous permet de résoudre le problème.
38
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
Les Poulies
Informations générales
Objectifs :
Les étudiants devront :
1. étudier les caractéristiques des poulies pour en comprendre le fonctionnement.
2. découvrir les relations entre les parties d’un système de poulies.
3. explorer les relations entre la force, la distance, la direction et le travail dans un système
de poulies.
4. construire différents systèmes de poulies et les utiliser pour soulever une charge.
5. démontrer comment les différents types de poulies fonctionnent et les endroits où ils sont
utilisés.
6. analyser les objets/outils dans les termes de leur application en tant que poulie.
Mots-clés et définitions pour l’enseignant
Ce qui suit est une ressource pour l’enseignant. Selon l’âge, les habiletés, les connaissances de base et le programme
de votre cours, vous pourrez choisir d’utiliser certaines des définitions suivantes. Ces mots-clés ne sont pas présentés
comme une liste devant être apprise par coeur par les étudiants. Ils peuvent cependant être utilisés afin de clarifier les
concepts que les étudiants rencontreront en cours de route.
Poulie :
Une roue, munie d’une gorge sur le côté extérieur, qui tourne librement autour d’un axe; une corde, un câble ou une
chaîne passent dans la gorge de la poulie et peuvent être attachés à un objet.
Poulie fixe :
Une poulie attachée à une surface solide; elle ne bouge pas lorsque la corde est tirée, sauf pour tourner sur elle-même.
Les poulies fixes changent la direction d’une force.
Poulie mobile :
Une poulie attachée directement à la charge qui doit être soulevée; lorsque la corde est tirée, la poulie bouge.
Poulies combinées :
Série de poulies fixes ou mobiles utilisées ensemble pour profiter des avantages de toutes les poulies afin d’accomplir
un travail.
Palan à moufles :
Combinaison spécifique de poulies utilisée pour soulever des objets très lourds : le palan désigne l’appareil et les
moufles sont l’ensemble de poulies enchâssées dans la chape de moufle.
Travail :
Une tâche peut être accomplie lorsqu’on utilise une poulie. En science, le travail réfère à l’usage d’une force pour
bouger une charge (un objet) sur une certaine distance. Le travail se définit ainsi :
T
Où
T
F
D
=FxD
= travail
= force (effort) appliquée à la tâche
= distance sur laquelle la force est appliquée
NOTE : Si l’objet ne bouge pas, le travail n’a pas été accompli.
La force :
Toute traction ou poussée appliquée à un objet.
L’effort :
La force qui est appliquée pour bouger l’une des composantes d’une machine simple (par exemple : la force appliquée
pour faire un travail).
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
39
LES MACHINES SIMPLES
La charge :
L’objet (ou le poids) déplacé ou la résistance qui est vaincue grâce à une poulie. Cette charge exerce une force
(résistance) contre la poulie.
La friction :
La force produite par deux surfaces qui frottent l’une contre l’autre lorsqu’un objet est en mouvement.
L’effet mécanique :
Un calcul mathématique qui indique combien de fois une machine simple multiplie la force résultant de l’effort.
Dans le cas de la poulie, l’effet mécanique se calcule en comptant le nombre de cordes ou de câbles que supporte
chaque poulie. Par exemple, si vous utilisez 3 poulies mobiles supportées par 6 cordes, l’effet mécanique est de 6.
L’effet mécanique est toujours exprimé comme un nombre sans unité.
Concepts-clés
Une poulie est un type de mécanisme simple; elle est utilisée depuis des milliers d’années pour aider à soulever
une charge très lourde.
Les combinaisons de poulies peuvent transférer un mouvement et la force d’une poulie à l’autre grâce aux
cordes, chaînes, courroies ou bandes.
Les poulies facilitent l’accomplissement d’un travail de plusieurs façons :
1.
La poulie change la direction d’un effort.
(a) En tirant la corde qui passe dans une poulie fixe, on obtient la traction de la charge. (Voir le diagramme)
La force est appliquée dans le sens de la gravité (vers le bas). Il est plus facile de tirer que de pousser vers
le haut (contre la gravité). La poulie permet aussi d’ajouter le poids du corps à l’effort exercé par les bras.
La charge semble donc plus facile à soulever.
Force de l’effort
Direction du
mouvement
Charge
(b) En plus de changer la direction de la force appliquée verticalement, les poulies peuvent aussi être utilisées
pour déplacer une charge horizontalement. Par exemple, elles peuvent être utilisées pour ouvrir ou fermer
des rideaux, ou pour bouger une corde à linge.
2.
Les poulies peuvent augmenter la force de l’effort. Plus il y a de poulies utilisées dans un système, moins
l’effort nécessaire pour soulever la charge est grand, mais vous devez tirer plus de corde dans le système.
Autrement dit, vous tirez une plus grande quantité de corde mais vous n’avez pas à tirer aussi fort que
lorsque vous n’utilisez qu’une poulie.
(Rappelez-vous, T = F x D. Donc, le travail s’accomplit sur une plus longue distance et la force est
augmentée.)
40
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
Poulie
supérieure
: fixe
Par exemple, grâce à un système composé de 2 poulies – une fixe
et l’autre mobile – vous ne devez appliquer que la moitié de l’effort
qui serait nécessaire sans le mécanisme pour soulever la charge,
mais vous devez tirer deux fois plus de corde. La poulie mobile est
supportée par deux sections de corde et vous devez tirer les deux
côtés afin de soulever la charge.
Poulie
inférieure :
mobile
Effort
Charge
Résumé
Poulie fixe
Poulie mobile
Combinaison de poulies
Effort
Fixe
Fixe
Mobile
Mobile
Effort
Charge
Effort
Charge
Charge
La poulie est fixée à une structure,
elle n’est pas attachée directement à
la charge.
La poulie est directement attachée à
la charge.
Ensemble de deux poulies ou plus
reliées par la même corde. La partie
supérieure est composée de poulies
fixes attachées à une structure;
l’ensemble inférieur est composé de
poulies mobiles.
La poulie ne bouge pas lorsque
la corde est tirée, elle tourne
seulement sur elle-même.
La poulie bouge lorsque la corde est
tirée. Lorsque la poulie bouge, la
charge bouge aussi.
La partie supérieure ne bouge pas;
la partie inférieure bouge lorsque la
corde est tirée.
L’effort est toujours appliqué en
tirant vers le bas. Le travail est
facilité parce que l’effort est exercé
dans le sens de la gravité.
Lorsqu’on utilise une poulie
mobile, l’effort est exercé en tirant
vers le haut.
L’effort est exercé en tirant vers
le bas.
Change la direction de l’effort. Tirer
la corde vers le bas résulte en un
mouvement de la charge vers le
haut.
Augmente l’effort exercé sur la
charge.
Change la direction de l’effort et
augmente la force de l’effort.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
41
LES MACHINES SIMPLES
Poulie fixe
42
Poulie mobile
Combinaison de poulies
La charge se déplace sur une
distance équivalente à la longueur
de la corde tirée lors de l’effort.
Si on utilise une poulie mobile,
la charge se déplace sur une
distance équivalente à la moitié
de la longueur de corde tirée lors
de l’effort.
La distance sur laquelle se déplace
la charge en comparaison avec
l’effort exercé dépend du nombre
de poulies utilisées. On peut calculer
cette distance selon le nombre de
cordes utilisées. Ex. : 4 sections de
cordes permettront à la charge de
se déplacer sur 1/4 de la distance
de l’effort.
En théorie, soulever une charge
avec une poulie fixe requiert le
même effort que de soulever cette
charge sans poulie. En pratique,
l’effort doit être plus grand que la
charge pour surmonter la friction.
Soulever une charge avec une
poulie mobile nécessite moins
d’effort que de la soulever sans la
poulie, mais l’effort doit être exercé
sur une plus grande distance.
Plus le nombre de poulies utilisées
est grand, moins l’effort nécessaire
pour soulever la charge est élevé.
La charge est supportée par une
seule corde, l’effet mécanique est
de 1.
Une poulie mobile supporte la
charge grâce à deux cordes, l’effet
mécanique est de 2.
Le nombre de segments de cordes
supportant la charge détermine
l’effet mécanique, dans l’exemple
ci-haut, il est de 4.
Exemples : hampe de drapeau,
corde à linge, rideaux.
Exemples : voile de bateau, porte de
garage.
Exemples : palan à moufles, grue
Education®
(Il n’y a pas de friction.)
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
Une Hampe de Drapeau :
Une hampe
de drapeau
un exemple de poulie fixe
Objectifs :
Les étudiants devront :
1. identifier que les poulies sont des roues munies d’une gorge sur leur côté externe.
2. apprendre que les poulies peuvent être utilisées pour soulever des objets et changer la
direction d’un mouvement.
3. démontrer comment une poulie fixe fonctionne.
4. prendre des mesures pour découvrir si une poulie fixe augmente ou non la force de l’effort.
5. identifier les objets de la vie quotidienne qui fonctionnent grâce aux poulies fixes.
Matériel
Chaque groupe de 2-3 étudiants aura besoin de : Vous aurez besoin de :
- 1 Ensemble K’NEX Leviers et Poulies
- Autocollants ou morceaux de
papier adhésif
- Ruban à mesurer
- Journal de l’étudiant
(un pour chaque élève)
- Un seau ou un panier plein
d’objets assez lourds
- Dynamomètre
(200g ou 5N)
Procédure
Introduction
Révisez avec les étudiants les machines simples que vous avez déjà étudiées et ce que vous avez découvert par
rapport aux conséquences de leur utilisation pour accomplir un travail.
Demandez à un volontaire de s’étendre sur une table, en ayant un de ses bras près du rebord. Demandez-lui de
soulever un seau rempli d’objets lourds. L’étudiant ne doit pas étendre son bras devant la table.
Demandez au volontaire de décrire si ce travail était facile ou difficile pour lui.
Attachez une corde au seau et demandez-lui de soulever le seau grâce à cette corde.
Encouragez les étudiants à penser à des moyens de faciliter ce travail.
Expliquez que leur tâche sera de construire un modèle qui démontrera l’utilisation d’une machine simple
permettant de soulever une charge plus facilement. Pendant la construction de ce modèle, ils devront identifier
quelle machine simple ils construisent.
Suggestion d’activité
Vous pourriez trouver utile de créer un tableau composé des mots dont vos étudiants auront besoin lors des
discussions et des expériences. Ce tableau pourrait être composé de petits cartons comportant le terme au recto
et sa définition au verso.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
43
LES MACHINES SIMPLES
Activité de construction
Divisez la classe en équipes de 2 étudiants et distribuez à chaque équipe un ensemble K’NEX Leviers et
Poulies.
Invitez les étudiants à construire la hampe de drapeau (livret d’instructions p. 10 et 11). Nous recommandons
que l’un des étudiants construise les parties 1 à 3, et l’autre, les étapes 4 à 6. Ces parties pourront ensuite être
assemblées, comme le démontre la photographie, pour former la hampe de drapeau.
NOTE : Les étudiants ne doivent pas couper la corde. Ils auront besoin de la pleine longueur pour
construire d’autres modèles.
Laissez quelques minutes aux équipes pour étudier le modèle et voir comment il fonctionne.
Activité de découverte I : Qu’est-ce qu’une poulie et quelle est son utilité ?
Étapes
1.
(a) Demandez si quelqu’un connaît
le nom de la machine simple qui
compose le modèle construit.
(b) Introduisez le concept de la poulie
aux étudiants. Demandez-leur de
décrire la poulie dans la hampe de
drapeau. (Une roue munie d’une
gorge; une corde passe dans la
gorge.) Grâce à un schéma que vous
dessinerez au tableau, expliquez le
fonctionnement de la poulie (voir la
section Concepts-clés et définitions).
Les étudiants devraient avoir lu les informations
contenues à la page 11 du livret d’instructions et pourront
identifier la poulie.
Force de l’effort
Direction du
mouvement
Charge
2.
(a) Demandez aux étudiants d’observer
le schéma et de trouver deux choses
que la poulie peut faire.
Les étudiants devraient répondre que la poulie aide à
soulever une charge lourde. Elle change aussi la direction
du mouvement de la force. La force appliquée vers le bas
soulève la charge vers le haut.
(b) Demandez aux étudiants de penser
à l’expérience du seau, menée
auparavant. Demandez-leur
pourquoi il serait plus facile de
déposer le seau au sol avec la corde,
plutôt que d’essayer de le soulever.
Expliquez aux étudiants qu’en poussant vers le bas, le poids
de leur corps vient s’ajouter à l’effort des muscles de leur
bras. Expliquez également qu’ils travaillent ainsi dans le sens
de la gravité.
(c) Encouragez les étudiants à faire une recherche sur internet afin de trouver des sites où est expliqué
le fonctionnement des poulies. Par exemple, voir les sites suivants : http ://perso.b2b2c.ca/login/JP/
mecanique/machsimp.html et http ://www.lescale.net/machines
44
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
3.
Une hampe
de drapeau
(a) Expliquez aux étudiants qu’il existe deux types de poulies :
i. Les poulies fixes : Ce type de poulie est attaché à un mur ou une autre structure et ne
bouge pas lorsqu’on tire la corde, la poulie tourne seulement sur elle-même.
ii Les poulies mobiles : La poulie, ainsi que la charge, bougent lorsque la corde est tirée.
(b) Demandez aux étudiants de prédire à
quelle catégorie appartient la poulie
de la hampe de drapeau. Ils peuvent
écrire leurs observations dans le
journal. Ils doivent identifier le type
de poulie, avec un autocollant, sur
le modèle.
Les étudiants devraient découvrir que la poulie de la hampe
de drapeau est une poulie fixe.
(c) Si les étudiants avaient attaché la corde à leur poulie, demandez-leur de la détacher pour la prochaine
activité.
Activité de découverte II : Comment une poulie fixe peut-elle faciliter
l’accomplissement d’un travail ?
Étapes :
1.
(a) Attachez un objet à une extrémité de la corde
noire. Vous pouvez utiliser des Connecteurs ou
l’une des Roues de l’ensemble K’NEX. Grâce à
un autocollant, identifiez ces objets comme la
charge. Soulever la charge en tirant sur la corde.
La force exercée est l’effort. Sentez l’effort que
vous devez exercer pour soulever la charge. Que
se passe-t-il lorsque vous lâchez la corde? Laissez
votre partenaire effectuer les mêmes démarches.
un pneu ou
un Connecteur
la corde
(b) Maintenant, passez la corde par-dessus la poulie
située en haut de la hampe de drapeau (note : la
corde n’a pas besoin d’être attachée en-bas du
modèle). Soulevez la charge en tirant sur la corde.
Sentez la force que vous exercez pour accomplir
ce travail. Laissez votre partenaire effectuer les
mêmes démarches.
(c) Lorsque vous utilisez la poulie, dans quelle direction tirez-vous? Vers le bas ou le haut?
(d) La poulie facilite-t-elle le soulèvement
de la charge? Si oui, de quelle façon ?
2.
Les étudiants devraient répondre qu’en utilisant la poulie, ils
tirent la corde vers le bas pour soulever la charge. Il est plus
facile de tirer vers le bas, parce que le poids du corps peut
aussi être utilisé pour exercer l’effort. En tirant vers le haut,
seulement les muscles du bras travaillent pour soulever la
charge. En fait, la quantité d’effort déployée est la même
dans les deux situations.
(a) Laissez la charge reposer sur la base rouge de la hampe de drapeau et assurez-vous que la corde soit tirée
au-dessus de la poulie grise.
(b) Un membre de l’équipe doit prendre la corde directement sous la poulie et tirer doucement vers le bas pour
soulever la charge (note : il faut faire attention pour ne pas faire glisser la corde hors de la poulie). L’autre
membre de l’équipe peut utiliser un ruban à mesurer et prendre en note :
i. La mesure de la longueur sur laquelle la corde a été tirée (mesurer du bout du doigt de votre coéquipier
jusqu’à la poulie).
ii À quelle hauteur la charge a-t-elle été soulevée? Mesurer à partir de la table.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
45
LES MACHINES SIMPLES
(c) Que remarquez-vous lorsque vous
comparez les deux mesures ?
Les étudiants doivent remarquer que la distance parcourue
par la charge est égale à la longueur de la corde tirée (effort).
Le seul effet de la poulie fixe est de changer la direction du
mouvement.
(d) Dessinez un schéma de l’expérience dans votre journal, en identifiant la poulie, la charge, l’effort et les
directions des mouvements. Inscrivez aussi vos mesures.
3.
Pourquoi les hampes de drapeau
sont-elles munies de poulies?
Comment pourriez-vous hisser le
drapeau en haut du mât sans utiliser
une poulie ?
Les étudiants devraient être en mesure d’expliquer qu’il
est plus facile de tirer une corde vers le bas pour hisser le
drapeau que de grimper au sommet du mât.
Mise en application
Révisez avec votre classe ce que vous avec découvert à propos des poulies fixes jusqu’à maintenant :
1. Les poulies fixes changent la direction du mouvement.
2. La charge parcourt une distance équivalente à la longueur de corde tirée pour la soulever.
Dans leurs journaux, les étudiants doivent identifier le type de poulie utilisé pour faire fonctionner la hampe
de drapeau. Ils doivent ensuite expliquer pourquoi l’utilisation de la poulie facilite le travail pour soulever une
charge. Les étudiants doivent utiliser le vocabulaire approprié.
Si votre école en possède un, emmenez vos étudiants hisser et descendre le drapeau de l’école. Assurez-vous
de respecter le protocole.
Demandez aux étudiants de chercher d’autres utilisations des poulies fixes que ce soit à l’école, à la maison ou
ailleurs. Ils peuvent aussi faire une brève recherche sur internet.
Invitez les étudiants à construire un
autre modèle de poulie fixe K’NEX et
d’expliquer comment il fonctionne.
Demandez-leur de penser à la longueur
de corde qu’ils doivent tirer afin de
soulever la charge à une certaine
hauteur.
Suggestions : corde à linge, système de rideaux ou de stores.
Pour aller plus loin
Utilisez le dynamomètre pour mesurer l’effort
déployé pour soulever la charge, avec et
sans la poulie. Attachez le dynamomètre à la
charge pour mesurer l’effort exercé sans la
poulie. Ensuite, attachez le dynamomètre à
l’extrémité de la corde. Passez la corde dans
la poulie et soulever la charge en tirant avec le
dynamomètre. Si la mesure obtenue n’est pas
significative, employez un objet plus lourd.
Théoriquement, la force de l’effort devrait être égale dans
les deux cas. Soulever un poids en utilisant une poulie fixe
demande un effort appliqué au bout de la corde équivalent
au poids placé à l’autre extrémité. Cependant, à cause de la
friction, l’effort demandé en utilisant la poulie pourrait être
légèrement supérieur.
Si les étudiants réalisent cette activité, il peuvent ajouter à la liste des caractéristiques de la poulie :
3. Soulever une charge grâce à une poulie fixe implique le même effort que de soulever la même charge sans
la poulie.
NOTE : Si possible, conserver un modèle de la hampe de drapeau, muni d’une poulie fixe, afin de le comparer au
système de combinaison de poulies, utilisé pour contruire le modèle du voilier (p. 49).
46
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
Une hampe
de drapeau
Vérification du journal de l’étudiant
✔
✔
✔
✔
✔
Définition et schéma d’une poulie.
Prédiction du type de poulie utilisé pour faire fonctionner la hampe de drapeau.
Schéma de la hampe de drapeau, dont chacune des parties est identifiée.
Liste des caractéristiques d’une poulie fixe.
Explication du fonctionnement de la poulie simple et de la façon dont elle
facilite un travail donné.
NOTES :
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
47
48
LES LEVIERS
Un voilier :
Un voilier
un exemple de l’utilisation d’une combinaison de poulies
Objectifs :
Les étudiants devront :
1. identifier la différence entre les poulies fixes et mobiles.
2. apprendre que les poulies fixes et mobiles, lorsqu’elles sont utilisées ensemble, sont appelées
poulies combinées (ou combinaison de poulies).
3. démontrer le fonctionnement des poulies combinées.
4. examiner comment un système de poulies combinées augmente la force de l’effort et fait en
sorte qu’un travail s’accomplisse plus facilement.
5. apprendre que plus un système comporte de poulies, plus il soulèvera la charge rapidement.
6. identifier les exemples d’objets utilisés quotidiennement qui fonctionnent grâce aux poulies
combinées.
Matériel
Chaque groupe de 2-3 étudiants
aura besoin de :
- 1 Ensemble K’NEX Leviers
et poulies
- Photographies
de voiliers
- Autocollants ronds ou
morceaux de ruban adhésif
- Journal de l’étudiant
(un pour chaque
élève)
- Ruban à mesurer
- Trombones
- Dynamomètre de
200-400g ou 5-10N
(facultatif)
Vous aurez besoin de (facultatif) :
- Modèle de hampe de drapeau conservé de
l’expérience précédente
- Photographies de voiliers, distribuées à la classe
ou présentées sur un écran d’ordinateur
(suggestion : visitez les sites suivants : www.
anyboat.com/tall_ships_2000/tall_ships.htm ou
www.freefoto.com et chercher grâce aux
mots-clés “Transport – tall ships”)
Procédure
Introduction
Révisez comment l’utilisation d’un système de poulies peut aider à hisser un drapeau au sommet d’un mât.
Dans ce cas, la poulie change la direction de la force de l’effort – il est plus facile de tirer sur une corde que de
pousser dessus. La poulie implique aussi que vous n’avez pas à monter vous-même en haut d’une échelle pour
installer le drapeau.
Demandez aux étudiants de regarder les
photographies suivantes et demandezleur de décrire comment ces bateaux
fonctionnent.
www. k nexeduc at ion. c om
Vous pouvez profiter de cet instant pour introduire un
peu de vocabulaire relatif aux voiliers : mât, poupe,
proue, bôme, gréement, taquet, etc.
Education®
49
LES MACHINES SIMPLES
Expliquez que, peu importe la taille du voilier, les marins font face au même problème : comment hisser et
abaisser les voiles rapidement. Rappelez aux étudiants que les voiliers utilisaient des voiles et la force du vent
pour se déplacer avant l’invention des moteurs. Les voiles étaient souvent très larges et très lourdes, surtout
lorsqu’elles étaient mouillées. Décrivez comment, à l’époque des très gros bateaux à voiles, les matelots
ont souvent eu à grimper dans les mâts pour hisser les voiles à la main. Cet exercice était particulièrement
dangereux. Les voiliers modernes sont munis de poulies pour que les marins puisse hisser et abaisser les voiles
rapidement sans quitter le pont.
Demandez aux étudiants d’identifier les
similitudes entre la hampe de drapeau et
un voilier.
Les étudiants devraient répondre que les deux systèmes
servent à soulever un objet le long d’un mât haut et mince.
Un système de poulies est nécessaire dans les deux cas.
Suggérez aux étudiants d’observer les photographies de bateaux et d’identifier les poulies et les câbles.
Demandez-leur s’ils pensent qu’il y a une relation entre le nombre de poulies et de câbles utilisés et le poids de la
charge à soulever. Encouragez-les à inscrire leurs réflexions dans le journal de l’étudiant.
Expliquez que pendant cette leçon, ils étudieront comment une combinaison de poulies peut être utilisée pour
soulever de lourds objets, comme les voiles.
Activité de construction
Divisez la classe en équipes de deux étudiants et distribuez à chaque équipe un ensemble K’NEX Leviers
et Poulies.
Invitez les étudiants à construire le voilier (livret d’instructions p. 12-13). Nous suggérons que l’un des
étudiants assemble les parties 1 et 2, et l’autre, les parties 3 à 5. Ils devront construire les parties 6 à 8
ensemble. Cette coopération est particulièrement importante pour l’étape 7 lorsque la corde est attachée aux
poulies. Assurez-vous que l’un des étudiants tienne les poulies mobiles (assemblées à l’étape 6) pendant que
l’autre passe la corde autour des poulies.
Note : Les étudiants ne doivent pas couper la corde. Ils auront besoin de la pleine longueur de corde
pour plusieurs activités.
Accordez quelques minutes aux étudiants afin qu’ils étudient le modèle et en comprennent
le fonctionnement.
Activité de découverte : Comment une composante d’un système de poulies
facilite-t-elle le soulèvement d’une charge ?
Demandez aux étudiants d’identifier la
poulie fixe sur leur voilier et d’y apposer
un autocollant.
Les étudiants doivent remarquer qu’il y a deux poulies
fixes au sommet du mât.
Demandez-leur d’expliquer comment
la poulie la plus basse diffère des
deux autres situées en haut du mât.
Introduisez le concept de poulie
mobile. Inscrivez une définition au
tableau et dessinez un schéma :
- une poulie mobile est attachée
directement à la charge; elle bouge
lorsque la corde est tirée.
Effort
Poulie mobile
Charge
50
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
Un voilier
Les étudiants doivent identifier la poulie mobile avec un autocollant.
Expliquez que les poulies mobiles sont habituellement utilisées avec des poulies fixes et que cet
arrangement se nomme un système de poulies combinées. Si une poulie mobile est utilisée seule, vous
pourrez avoir besoin de tirer la corde vers le haut, ce qui demande plus d’effort que de tirer vers le bas.
Combiner les deux types de poulies permet de tirer vers le bas pour soulever la charge.
Expliquez qu’ils étudieront comment ce système fonctionne en réalisant les étapes suivantes :
Étapes
1.
2.
3.
Attachez une charge, par exemple une roue de l’ensemble K’NEX, à l’une des extrémités d’une corde. Vous
devriez avoir suffisament de corde pour l’étirer de l’endroit où vous l’aviez attachée (le morceau gris) jusqu’à
l’extrémité du connecteur rouge. Attachez votre charge à l’extrémité libre de cette corde (essayez d’utiliser la
même charge que vous avez utilisée pendant l’activité de la hampe de drapeau). Soulever la charge en tirant
sur la corde. Sentez la force de l’effort que vous devez exercer.
(a) Ouvrez un trombone de façon
à pouvoir vous en servir
comme d’un crochet. Attachez
ce trombone au connecteur
gris en-bas de la poulie
suspendue. Détachez la charge
et suspendez-la au trombone.
Détachez doucement la corde
de la pièce grise au bout de la
tige rouge et tirer la corde pour
soulever la charge. Un membre
de l’équipe doit s’assurer que la
corde demeure en place dans
la gorge de la poulie.
Poulie
fixe
Ficelle
noire
Poulie
mobile
Charge
Trombone
Direction
de force
de l’effort
(b) De quelle(s) façon(s) les poulies
du voilier fonctionnent-elle
comme celle de la hampe de
drapeau ?
Si nécessaire, les étudiants peuvent observer le modèle de
la hampe de drapeau, s’il est toujours disponible.
(c) Cette poulie facilite-t-elle la tâche?
De quelle façon ?
Les étudiants doivent dire qu’ils tirent toujours vers le bas
pour soulever la charge. Il est plus facile de tirer vers le
bas que vers le haut.
(d) Que remarquez-vous de plus
à propos le soulèvement de la
charge ?
Ils doivent remarquer que le système de poulie facilite
la tâche – ils n’ont pas à tirer aussi fort pour soulever la
charge. Cependant, ils doivent utiliser plus de corde.
(a) Laissez la charge reposer sur la table, la corde tendue. Un des membres de l’équipe peut tenir la corde
sous la poulie et tirer pour soulever la charge. L’autre étudiant mesure la longueur de corde utilisée. Il faut
mesurer à partir des doigts de votre coéquipier.
(b) Ensuite, mesurez la distance entre le dessus de la charge et la table.
(c) Comparez les résultats.
(d) Que remarquez-vous à propos de ces résultats?
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
51
LES MACHINES SIMPLES
(e) Comment expliquez-vous
vos résultats ?
4.
(a) Comment les voiles d’un vrai voilier
sont-elles attachées au système de
poulies ?
(b) Que remarquez-vous à propos de la
taille des voiles ?
(c) Pourquoi croyez-vous que les
voiliers sont munis des systèmes de
poulies combinées pour hisser ou
abaisser leurs voiles ?
Les étudiants doivent remarquer que la distance parcourue
par la charge équivaut environ à la moitié de la longueur de
corde tirée. Les poulies combinées réduisent l’effort nécessaire
pour soulever la charge, mais augmente la longueur de corde
nécessaire. Ce phénomène s’explique parce que la poulie
mobile et les deux sections de corde supportent son poids.
Les vrais voiliers possèdent une série d’anneaux installés
autour du mât, ces anneaux sont attachés à une corde.
Cette corde est reliée au système de poulies. Les rebords des
voiles ont de petits trous au travers desquels sont passés des
crochets, qui sont ensuite accrochés aux anneaux autour
du mât. En tirant sur la corde, les anneaux sont soulevés et
la voile est hissée le long du mât.
Les étudiants doivent remarquer que le système de poulies
permet de soulever la voile rapidement et facilement. Les
voiles sont grandes et lourdes. Le système de poulies est utile
sur un voilier lorsque vous devez ajuster les voiles rapidement
à cause des changements dans la direction et la vitesse
des vents.
Mise en application
Demandez aux étudiants d’inscrire les informations à propos du type de système de poulies utilisé à bord d’un
voilier. Ils peuvent également dessiner des schémas pour démontrer les différents types de poulies, la direction
de l’effort, la direction du mouvement de la charge et le nombre de cordes utilisées pour soulever la charge. Ils
doivent aussi inclure une explication sur les différences entre les poulies mobiles et fixes.
Demandez à chaque équipe de
choisir un autre système de poulies
combinées et de le construire grâce
à l’ensemble K’NEX. Les
étudiants doivent en expliquer
le fonctionnement à la classe.
Encouragez-les à penser à la longueur
de corde nécessaire pour soulever une
charge à une certaine hauteur.
Révisez avec la classe de quelle façon
le système de poulies combinées
réunit les avantages des poulies fixes
et mobiles. Les étudiants doivent
comprendre qu’un système de poulies
combinées permet de soulever une
charge très lourde en exerçant un effort
relativement petit dans la direction
qui rend le travail plus facile. Aidez les
étudiants à développer un résumé et
demandez-leur de l’inscrire dans leur
journal.
Suggestions : ascenceur, porte de garge, etc.
Informations pouvant se trouver dans le résumé :
Le système de poulies combinées change la direction
de l’effort et augmente cet effort pour faciliter le travail.
L’effort, cependant, doit être appliqué sur une plus
longue distance.
Demandez aux étudiants de nommer d’autres endroits où les systèmes de poulies combinées sont utilisées.
52
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
Un voilier
Pour aller plus loin
1.
2.
En cherchant à la bibliothèque ou sur Internet, étudiez différents types de bateaux comme
le catamaran. Déterminez combien de voiles sont utilisées et pourquoi, comment les voiles sont
organisées et comment cet arrangement est utile. En utilisant l’ensemble K’NEX, construisez un autre
modèle de bateau. Démontrez que votre arrangement de voiles utilise plusieurs systèmes de poulies
combinées. Expliquez comment ces voiles permettent à votre bateau de se déplacer sur l’eau.
(a) Faites une voile pour votre bateau en utilisant du tissu et des marqueurs. Inspirez-vous de photographies
de voiliers pour la forme de la voile.
(b) Décidez de la façon dont vous attacherez la voile à la corde du bateau.
(c) Hisser et abaisser la voile de votre bateau et notez vos observations.
Vérification du journal
✔
✔
✔
✔
✔
Définition et schéma d’une poulie mobile.
Description, accompagnée d’un schéma, du système de poulies combinées du bateau.
Mesures pour démontrer comment le système de poulies combinées permettent de soulever plus
facilement une charge très lourde.
Résumé des avantages d’un système de poulies combinées.
Exemples d’objets quotidiens fonctionnant grâce à un système de poulies combinées.
NOTES :
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
53
54
LES LEVIERS
Le Palan à Moufles :
Le palan à moufles
un exemple de l’utilisation d’un système de poulies combinées
Objectifs :
Les étudiants devront :
1. identifier les types de poulies utilisés dans un palan à moufles.
2. démontrer de quelle façon les poulies fixes et mobiles fonctionnent dans un palan
à moufles.
3. différencier un palan à moufles des autres systèmes de poulies.
4. identifier les relations entre le nombre de cordes et la quantité d’effort nécessaire pour
soulever une charge.
Matériel
Chaque groupe de 2-3 étudiants a besoin de :
- 1 Ensemble K’NEX Leviers
et poulies
- Verre de papier
- Autocollants ronds ou
morceaux de papier adhésif
- 1 ou 2 Morceaux
de papier d’aluminium
(15 x 20 cm)
- Ruban à mesurer
- Marqueur de couleur
- Pièces de monnaie ou rondelles de métal
(environ 30)
- Journal de l’étudiant (un pour chaque élève)
- Dynamomètre 200g ou 5N (facultatif)
NOTE : Assurez-vous d’avoir en main suffisament de pièces de monnaie ou de rondelles métalliques
pour cette activité.
Procédure
Introduction
Révisez les résultats de l’activité précédente : un système de poulies combinées réduit l’effort nécessaire pour
soulever une charge, mais augmente la longueur de corde à tirer.
Montrez, ou demandez aux étudiants de trouver, des photographies de grues au travail.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
55
LES MACHINES SIMPLES
Demandez aux étudiants de décrire le système de poulies composant une grue et les différentes tâches
accomplies grâce à cette machine. Quels types d’objets peuvent-elles soulever ?
Demandez-leur de deviner pouquoi les systèmes de poulies permettent de soulever des charges très lourdes.
Expliquez qu’une grue fonctionne avec un mécanisme de palan à moufles. Définissez ce qu’est le palan
à moufles :
Combinaison spécifique de poulies utilisée pour soulever des objets très lourds. Le palan est l’ensemble
du système, la moufle est le montage de poulies enserrées dans une chape de moufle.
Demandez aux étudiants d’observer la page 15 de leur livret d’instructions où ils trouveront le plan du palan à
moufles pour construire leur prochain modèle. Expliquez comment le palan à moufle est construit en passant
une corde aoutour un certain nombre de poulies fixes et mobiles. Demandez-leur d’inscrire dans leur journal :
Combien de fois pensez-vous l’effort exercé sur la charge peut-il être multiplié par cette machine? Indice
: Rappelez-vous ce que vous avez découvert à propos des poulies mobiles et du nombres de cordes les
supportant.
NOTE : Ne discutez pas immédiatement de la question avec les étudiants. La bonne réponse est : 4 fois.
Le résultat s’obtient en comptant le nombre de cordes supportant la poulie mobile. Dans cet exemple, il y a
2 poulies mobiles, chacune possédant deux cordes. (Les trois poulies du haut sont des poulies fixes.)
Activité de construction
Organisez la classe en équipes de deux et distribuez à chaque équipe 1 ensemble K’NEX Leviers et Poulies.
Invitez chaque équipe à construire le palan à moufles (p. 14 et 15 du livret d’instructions). Nous
recommandons que l’un des étudiants construise les étapes 1 à 3, et l’autre les étapes 4 et 5. Ils devront
construire les étapes 6 à 8 ensemble. Cette coopération est particulièrement importante lors de l’étape
7 lorsque la corde est attachée aux poulies.
Truc 1 : Avant de passer la corde dans les poulies, les étudiants peuvent placer un livre sur l’un des côtés du
modèle pour l’empêcher de bouger.
Truc 2 : Nous recommandons qu’après avoir attaché la corde à la pince grise, un étudiant passe la corde dans
le trou en-bas à gauche du connecteur jaune (situé au contre du support supérieur).
Accordez aux étudiants quelques minutes pour observer leur modèle et en déterminer le fonctionnement.
Activité de découverte : Comment un pala à moufles permet-il de soulever des
charges très lourdes facilement ?
Demandez à chaque équipe d’identifier les poulies fixes et mobiles avec les autocollants.
Demandez aux étudiants d’expliquer comment le fait d’utiliser un certain nombre de poulies fixes et mobiles
peut aider à soulever une charge très lourde.
56
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
Le palan à moufles
Étapes :
1.
(a) Distribuez à chaque équipe un morceau de papier d’aluminium rempli de pièces de monnaie ou
de rondelles métalliques. Demandez à chaque étudiant d’en évaluer le poids en le tenant dans sa
main, pour déterminer quel sera le poids que leur modèle devra soulever. Si vous possédez des
dynamomètres, utilisez-les pour déterminer le poids exact.
2.
Ensuite, tentez de soulever la charge grâce au modèle K’NEX.
(a) Placez votre palan à moufles sur le rebord de la table en laissant les poulies suspendues par-dessus le rebord.
Placez un livre de l’autre côté pour le retenir (voir le livret d’instructions p. 15).
(b) Enveloppez l’extérieur du panier d’un morceau de papier d’aluminium et placez les pièces de monnaie dans
le panier. Soulevez-le avec la corde. Sentez l’effort exercé pour soulever le panier.
(c) Est-ce différent de soulever cette charge à la main ou grâce au palan à moufles ?
3.
Expliquez que les étudiants devront déterminer, grâce à leur modèle, quel est l’effort nécessaire pour
soulever la charge. Expliquez qu’ils doivent d’abord trouver quel est le poids du panier vide. Ensuite, ils
doivent ajouter les pièces de monnaie dans le panier et trouver le poids total de la charge. Ils devront
suivre les étapes suivantes :
Mesurer le poids du panier vide :
(a) Retirez les pièces de monnaie du panier
et laissez-les de côté, vous les utiliserez plus
tard.
(b) Détachez la corde de la pince grise derrière la
base et attachez cette corde autour d’un petit
verre de papier.
Ficelle accrochée
au-dessus d’une
poulie fixe
Ficelle
attachée à
l’axe entre
les poulies
mobiles
(c) Passez la corde par-dessus l’une des 3
poulies fixes au sommet du modèle; ensuite,
attachez l’autre extrémité entre les deux
poulies mobiles.
(d) Assurez-vous que le modèle est bien placé
au bord de la table, les poulies pendant
au-dessus du vide et un livre tenant le tout
en place.
Verre de
papier
attaché
à la ficelle
Réa
de poulies
fixes
Réa
de poulies
mobiles
(e) Assurez-vous que les côtés et le fond
du panier vide sont couverts de papier
d’aluminium (ou placez un petit verre
de papier à l’intérieur du panier).
(f) Commencez à placer les pièces de monnaie
dans le verre de papier jusqu’à ce que le poids
soit suffisant pour que le panier du modèle
commence à se soulever.
Panier recouvert de
papier d’aluminium
(g) Observez bien la distance parcourue par le verre de papier et celle parcourue par le panier.
(h) Inscrivez le nombre de pièces de monnaie que vous avez placées dans le verre. Ceci représente le poids
du panier.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
57
LES MACHINES SIMPLES
Tableau des données 1
Nombre de pièces de
monnaie dans le panier
Nombre de pièces
de monnaie dans le
verre de papier (effort)
Distance parcourue
par le panier
(charge)
Distance parcourue
par le verre de papier
(effort)
0
Les étudiants trouveront probablement qu’ils ont besoin d’environ 20 pièces de monnaie dans
le verre. Vous pourrez les aider à comprendre en expliquant que pour soulever une charge avec
une poulie fixe, l’effort exercé à l’extrémité de la corde est équivalent au poids exercé de l’autre
côté. Le poids du panier est donc approximativement le même que celui des pièces de monnaie
déposées dans le verre. Note : Il peut être un peu plus élevé en raison de l’effet de friction.
4.
Détachez les cordes et replacez-les comme montré dans le livret d’instructions. Assurez-vous de placer
les cordes exactement comme le démontre la photographie. Videz le verre de papier et laissez les pièces de
monnaie de côté, elles vous serviront plus tard.
Mesurer l’effort nécessaire pour soulever le panier en utilisant le palan à moufles :
(a) Un membre de l’équipe doit tenir les cordes près du sommet des poulies pendant que l’autre attache le verre
de papier à l’extrémité de la corde.
(b) Commencez à remplir lentement le verre de papier de pièces de monnaie. Combien devez-vous en mettre
pour soulever le panier vide? Inscrivez votre réponse dans le tableau 2. Rappelez-vous d’inscrire le poids du
panier (votre réponse à la question 3 (h), ci-dessus).
(c) Ajoutez 10 pièces de monnaies dans le panier. Quel est le poids du panier maintenant? Combien de pièces
de monnaie devez-vous ajouter dans le verre de papier pour soulever le panier de nouveau? Incrivez votre
résultat dans le tableau 2.
(d) Ajoutez 10 pièces de monnaie de plus dans le panier (20 au total). Combien de pièces de monnaie devezvous ajouter dans le verre de papier pour soulever le panier de nouveau? Incrivez votre résultat dans le
tableau 2.
(e) Que remarquez-vous à propos de l’effort nécessaire pour soulever le panier en utilisant le palan à moufles?
(f) Comparez la puissance de ce modèle pour soulever une charge avec la puissance des autres modèles
de poulies étudiés.
(g) Quelles sont les différences entre ce modèle et les autres ?
Tableau des données 2
(A)
Poids du panier vide
(en pièces de monnaie).
[réponse du 3 (h)]
(B)
Nombre de pièces
de monnaie ajoutées
au panier
(C)
Charge :
Poids total du panier
(en pièces de monnaie).
[Col. A + Col. B]
(D)
Effort :
Nombre de pièces
de monnaie dans
le verre
Les étudiants doivent remarquer une réduction significative de l’effort nécessaire pour soulever
le panier en utilisant le palan à moufles.
58
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
LES LEVIERS
5.
(a) En utilisant le palan à moufles,
soulever le panier de 7, 5 cm.
(b) Quelle longueur de corde
devez-vous tirer pour atteindre
cette hauteur ?
6.
Le palan à moufles
Pour soulever le panier d’environ 7, 5 cm avec le palan
à moufles, il faut tirer environ 30, 5 cm de corde.
NOTE : À cause de l’effet de friction, les mesures exactes sont
plus difficiles à prendre.
(a) Compter le nombre de cordes
supportant les poulies mobiles dans
le palan à moufles.
(b) Rappelez-vous ce que vous avez
appris lors de la dernière leçon :
que pouvez-vous déduire, à partir
du nombre de cordes, à propos de
la multiplication de l’effort ?
Mesurer cette
distance
(c) Comparez votre réponse aux
résultats de l’étape 4.
Mesurer cette hauteur
Les étudiants devraient compter 4 cordes pour supporter les deux poulies mobiles. Le palan à moufles facilite
donc le travail 4 fois, mais il implique aussi qu’il faut tirer 4 fois plus de corde qu’en utilisant une poulie fixe.
Les résultats obtenus à l’étape 4 devraient donner ceci : 10 pièces de monnaie (l’effort) peuvent soulever une
charge de 40 pièces de monnaie – le palan à moufles multiplie donc l’effort par 4.
7.
(a) Ajoutez plus de poulies à votre
modèle.
(b) Comment cette modification
influence-t-elle la longueur de la
corde nécessaire pour soulever
la charge ?
Si les étudiants ajoutent plus de poulies mobiles, il
remarqueront que le travail se fait encore plus facilement,
mais qu’ils doivent tirer plus de corde qu’auparavant pour
atteindre la même hauteur.
Mise en application
Révisez les observations avec les
étudiants. Demandez-leur de vérifier
leurs prévisions à propos du palan
à moufles.
Demandez aux étudiants de :
Ajouter plus de poulies mobiles au palan à moufles facilite
le travail. Le modèle de palan de K’NEX permet de soulever
une charge quatre fois plus facilement en augmentant la
force appliquée sur la charge, mais vous devez tirer la corde
sur une distance quatre fois plus grande que la distance sur
laquelle la charge bouge. C’est le compromis : un effort plus
petit requiert d’être appliqué sur une plus grande distance.
(a) Décrire et expliquer leurs observations.
(b) Dessiner un schéma de leur modèle en identifiant les composantes.
(c) Ajouter des flèches à leur schéma pour indiquer la direction du mouvement.
(d) Expliquer comment le palan à moufles est différent des autres types de poulies.
Rappelez-leur d’utiliser le vocabulaire adéquat pour décrire les composantes du système.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
59
LES MACHINES SIMPLES
Demandez aux étudiants de décrire
les situations où le palan à moufles
pourrait être utile et d’expliquer
pourquoi ils pensent que la situation
réquerrait ce genre de système
de poulies.
Suggérez-leur de construire un
autre modèle K’NEX d’une machine
fonctionnant grâce au palan à
moufles. Demandez-leur d’expliquer
comment cette machine fonctionne et
comment peut être contenue la corde
supplémentaire nécessaire dans un
système de palan à moufles.
Le palan à moufles est utilisé pour soulever des charges très
lourdes comme les moteurs de voiture ou les pianos.
Suggestion : grue
Pour aller plus loin
1.
Utilisez le dynamomètre pour mesurer l’effort utilisé pour soulever le poids avec et sans le palan à moufles.
Attachez le dynamomètre au panier pour mesurer l’effort requis pour le soulever grâce à la poulie fixe.
Ensuite, attachez-le à l’extrémité de la corde. Passez la corde dans le système de palan à moufles et tirez-la
grâce au dynamomètre. L’effort exercé en utilisant le palan à moufles devrait représenter le quart de l’effort
exercé avec la poulie fixe. Cependant, vous devez tirer plus loin pour atteindre la même hauteur. Si la
mesure que vous obtenez n’est pas significative, utilisez un objet plus lourd.
2.
Demandez aux étudiants d’ajouter plus de poulies au système et de déterminer comment cet ajout influence
les mesures de la force.
3.
Encouragez vos étudiants à faire une brève recherche sur Internet ou à la bibliothèque à propos du palan à
moufles et des poulies.
Défi de construction
Votre mère est une physiothérapeute. Elle travaille avec les gens qui ont eu des blessures ou doivent utiliser
des chaises roulantes. Il est difficile pour votre mère de soulever ses patients pour les guider vers les machines
d’exercices. En utilisant les pièces K’NEX, construisez un système de poulies portatif qui pourrait l’aider à soulever
les patients et à les transporter vers les machines d’exercices. Expliquez comment votre machine fonctionne et
comment les poulies sont nécessaires à son fonctionnement.
Vérification du journal
✔
✔
✔
✔
✔
✔
60
Définition d’un palan à moufles.
Schéma du palan à moufles et identification de ses composantes.
Mesures pour soulever une charge avec le palan à moufles.
Explication du fonctionnement du palan à moufles.
Explication des différences entre le palan à moufles et les autres types de poulies.
Les utilisations dans la vie quotidienne du palan à moufles.
Education®
LES LEVIERS ET LES POULIES
">