Circonscription Ambérieu en Bugey

Mars 2005

ENGRENAGES et roues …

Les programmes et les compétences

Les Savoirs

La démarche pédagogique

Avant et après l’expérimentation

Les ateliers

Bibliographie

Groupe de travail : Didier Gillet (titulaire remplaçant),

Mireille Jacquinot(PEMF), Jean-Luc Estublier (Conseiller pédagogique),

Thierry Perrier (PE)

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Mars 2005

Programmes et textes officiels

Monde construit par l'homme

L'élève s'initie, dans le cadre d'une réalisation, à la recherche de solutions techniques, au choix et à l'utilisation raisonnée d'objets et de matériaux : Objets mécaniques ; transmission de mouvements : un processus de réalisation d'objet technique permet à l'élève d'élaborer une démarche d'observation et de recherche. Cette réalisation peut être, pour l'élève, l'occasion de s'approprier quelques notions scientifiques de base.

Compétences devant être acquises en fin de cycle

Être capable de : - poser des questions précises et cohérentes à propos d'une situation d'observation ou d'expérience, - imaginer et réaliser un dispositif expérimental susceptible de répondre aux questions que l'on se pose, en s'appuyant sur des observations, des mesures appropriées ou un schéma ; - recommencer une expérience en ne modifiant qu'un seul facteur par rapport à l'expérience précédente; -mettre en relation des données, en faire une représentation schématique et l'interpréter, mettre en relation des observations réalisées en classe et des savoirs que l'on trouve dans une documentation ; - participer à la préparation d'une enquête ou d'une visite en élaborant un protocole d'observation ou un questionnaire ; - rédiger un compte rendu intégrant schéma d'expérience ou dessin d'observation, - connaître les principes élémentaires de fonctionnement de circuits électriques simples, de leviers, de balances, de systèmes de transmission du mouvement : quelques utilisations techniques.

maîtrise de la langue

Parler : Lire : Ecrire : • Utiliser le lexique spécifique des

sciences dans les différentes situations didactiques mises en jeu

• Formuler des questions pertinentes • Participer activement à un débat

argumenté pour élaborer des connaissances scientifiques en en respectant les contraintes (raisonnement rigoureux, examen critique des faits constatés, précision des formulations, etc.),

• Utiliser à bon escient les connecteurs logiques dans le cadre d'un raisonnement rigoureux.

• Lire et comprendre un ouvrage documentaire, de niveau adapté, portant sur l'un des thèmes au programme

• Trouver sur la toile des informations scientifiques simples, les apprécier de manière critique et les comprendre

• Traiter une information complexe comprenant du texte, des images, des schémas, des tableaux, etc.–

• Prendre des notes lors d'une observation, d'une expérience, d'une enquête, d'une visite

• Rédiger, avec l'aide du maître, un compte rendu d'expérience ou d'observation (texte à statut scientifique)

• Rédiger un texte pour communiquer des connaissances (texte à statut documentaire.)

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Cycle 2 : Les objets et les matériaux

Cycle 3 : Monde construit par l’homme

La découverte de quelques objets, de leurs usages et de leur maniement ; les règles de sécurité qu’ils impliquent.

Objets mécaniques ; transmission de mouvements.

Connaissances Mécanisme Fonction Exemples d’utilisation Poulie simple Transmettre un mouvement de translation de manière à

modifier la direction de l’effort à exercer sans en modifier l’intensité. En somme, l’utilité d’une poulie réside dans le fait qu’elle permet à l’ouvrier de travailler dans une position plus confortable.

Dispositifs de levage, grues.

Engrenages (deux roues dentées entraînées l’une par l’autre) ; transmission par chaîne

Transmettre et transformer des mouvements de rotation de manière à modifier l’effort à appliquer et la vitesse de rotation (de façon indissociable, voir le paragraphe «Pour en savoir plus»).

Perceuse, changement de vitesse (bicyclette), essoreuse à salade, grue…

Système bielle-manivelle

Transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation alternatif (va-et-vient). Réciproquement, transformer un mouvement de translation alternatif en un mouvement de rotation.

Scie sauteuse, machine à coudre... Piston de moteur...

Système pignon-crémaillère

Transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation.

Funiculaire, train à crémaillère ; porte d’écluse ; loupe binoculaire, microscope…

Objets mécaniques ; transmission de mouvements Fiche connaissance 24 : «Leviers et balances»;

Fiche connaissance 25 : «Transmission de mouvements». Compétences spécifiques Commentaires Etre capable de fabriquer un ou deux objets mettant en œuvre des mécanismes simples. Etre capable de monter ou démonter un objet technique simple. Apprendre à se comporter efficacement devant un problème d’ordre technique

L’objectif prioritaire est de développer chez les élèves des attitudes rationnelles devant des problèmes de transmission et de transformation du mouvement. On ne cherche pas à introduire le concept scientifique de force qui est employé ici dans son acception commune (effort). On ne mène pas une étude exhaustive des systèmes de transmission sans l’appui des objets dans lesquels ils sont impliqués (par exemple, c’est d’abord en fabriquant un treuil qu’on s’interroge dans un second temps sur le rôle des engrenages).

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Les SAVOIRS

Transmettre un mouvement

♦ Les roues dentées Un engrenage est un système de plusieurs roues dentées(pignons)

en contact. �Un engrenage conserve le sens de rotation du premier pignon s’il est composé d’un nombre impair de pignons. 2,4,6,8…pignons : sens inverse du pignon d’entrée 3,5,7,9…pignons : même sens que le pignon d’entrée. �Les pignons d’entrée et de sortie ont des vitesses de rotation différentes , s’ils ont des tailles différentes . Démultiplication = diminution de la vitesse Surmultiplication = augmentation de la vitesse.

♦ Les roues avec courroie (ou chaîne) �Le sens de rotation change en fonction de la disposition de la courroie. �La vitesse de rotation change en fonction de la taille des roues.

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Démarche pédagogique

1 Faire décrire aux élèves le matériel et envisager son utilisation.

2 Représenter, dessiner le dispositif (sur le cahier d’expériences)

3 Faire les hypothèses oralement (justifier) puis

demander aux élèves de les écrire (sur le cahier d’expériences)

4 Réaliser l’expérience, remplir les fiches de résultats

5 Ecrire les effets constatés, le savoir élaboré

6 Travail en classe : mise au propre (pour le cahier de Sciences), travail à partir du compte-rendu scientifique

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AVANT l’expérimentation…

Il est possible de venir dans la salle d’expérimentation, avec les élèves, sans avoir travaillé les notions en jeu…

Pour sensibiliser sans expliquer ! Bibliotexte Bordas Cycle 3 p238 (dispo dans la salle)

Les textes traitent de l’évolution de la bicyclette Ils permettent de découvrir les différents procédés utilisés : � Roue motrice avant (de plus en plus grande pour aller plus vite !) � Roue motrice arrière avec transmission du mouvement et utilisation de pignons � Et…de commencer à s’interroger, de dessiner (son vélo !).

APRES l’expérimentation

Après la mise en forme du compte-rendu et des savoirs…

1 Utiliser une notice de fabrication (doc dans la salle) Objectifs : Caractériser un type d’écrits Lire : prélever des informations Réinvestir les savoirs de l’expérimentation : décrire et justifier les effets produits

� Construire une machine à peindre (Méga expériences NATHAN) � Construire un chariot à manège (Méga expériences NATHAN) 2 Classer des objets en fonction de leur système d’engrenages (familles d’engrenages) (doc dans la salle)

Objectifs Découvrir les applications des engrenages au quotidien Distinguer les étapes de la transmission du mouvement Distinguer le changement de direction d’un mouvement � Changement de direction du mouvement � Pas de changement de direction

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3 Fabriquer un engrenage en carton (doc dans la salle) Objectifs Réinvestir les savoirs de l’expérimentation en fabriquant � Utiliser les gabarits pour coller sur support rigide � Découpage des pignons � Fixation avec attache parisiennes sur carton Plusieurs démarches possibles � soit laisser construire librement les élèves, de constater les effets produits et de les justifier. � soit donner un cahier des charges au tableau puis confronter les réalisations. � soit proposer des défis dans la classe : par 2 concevoir un engrenage pour un autre groupe qui

devra faire des hypothèses sur les effets produits…avant de manipuler . 4 Utiliser le matériel LEGODACTA ou CELDA (mallette disponible à l’Inspection)

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LES ATELIERS : en pratique…

Atelier 1

Découverte du matériel

Il vaut mieux commencer par le 1, avant 2 et 3

Atelier 2 Atelier 3

Les boites mystérieuses

Organiser pour que les élèves ne fassent qu’une des 2 boîtes.

Présence de 2 adultes avertis.

Atelier 4

Les essoreuses à salade

Atelier 5 présence d’un adulte averti

Le vélo

Atelier 6 et 6bis

Organiser pour que les élèves ne fassent

qu’un des deux dispositifs.

Atelier 7 (autonomie)

Atelier d’attente avec les objets du

quotidien

Ordinateur (autonomie)

Atelier d’attente

(leCDROM est à l’intérieur)

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ATELIER 1 : Manipulation du matériel

Connaissances visées : ♦ Savoir nommer et utiliser le matériel. ♦ Lire une notice de fabrication.

Dispositif : • Matériel Celda • Fiches expliquant la technique de fixation des pièces • Tableau de repérage des pièces à compléter

Démarche : 1) Repérer les pièces désignées

dans le tableau, écrire leur numéro

2) Utiliser le matériel librement

pour assembler les pièces 3) Réaliser les montages présentés dans les fiches

Lexique : • pignon : roue dentée • axe • connecteur : pièce permettant le raccordement d’autres pièces.

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ATELIER 2 : Les boîtes mystérieuses 1

Connaissances visées : • Le sens de rotation de deux roues entraînées par des pignons dépend du nombre de

pignons utilisés. • Pour que deux roues conservent le même sens de rotation, elles doivent être reliées par un

nombre impair de pignons.

Variable expérimentale : Nombre de pignons composant l’engrenage.

Boîte n°1 Dispositif expérimental :

• Une boîte contenant un mécanisme caché • Deux roues apparentes dont une munie

d’une manivelle et l’autre d’un repère. Effets attendus : Les deux roues tournent dans le même sens. Explication : On utilise pour construire l’engrenage un nombre impair de pignons.

Boîte n° 2 : Dispositif expérimental : le même

Effets attendus : Les deux roues tournent en sens inverse. Explication : On utilise pour construire l’engrenage un nombre pair de pignons.

Démarche : (commune aux deux boîtes)

• Observer le dispositif. • Emettre des hypothèses : Que va-t-il se

passer lorsque l’on va tourner la roue avec la manivelle ?

• Représenter la situation sur le cahier d’expérience.

• Imaginer un dispositif permettant d’obtenir les mêmes effets.

• Dessiner ce dispositif sur le cahier d’expériences.

• Le construire avec le matériel fourni. • Ecrire les effets constatés : les roues

fonctionnent-elles de la même façon que sur la boîte mystérieuse ?

• On peut enfin ouvrir la boîte pour comparer le dispositif initial et celui qui a été imaginé.

Lexique : • pignon : roue dentée • engrenage : ensemble composé d’au moins deux pignons • axe • sens de rotation

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ATELIER 3 : Les boîtes mystérieuses 2

Connaissances visées : • La vitesse de rotation de deux roues entraînées par des pignons dépend de la taille des

pignons utilisés. • Pour que deux roues conservent la même vitesse, elles doivent être reliées par des pignons

de même taille.

Variable expérimentale : Taille des pignons composant l’engrenage.

Boîte n°1 Dispositif expérimental :

• Une boîte contenant un mécanisme caché • Deux roues apparentes dont une munie

d’une manivelle et l’autre d’un repère. Effets attendus : Les deux roues tournent à une vitesse différente. Explication : On utilise pour construire l’engrenage des pignons de taille différente. Boîte n° 2 : Dispositif expérimental : le même

Effets attendus : Les deux roues tournent à la même vitesse. Explication : On utilise pour construire l’engrenage des pignons de même taille..

Démarche : (commune aux deux boîtes)

• Observer le dispositif. • Emettre des hypothèses : Que va-t-il se

passer lorsque l’on va tourner la roue avec la manivelle ?

• Représenter la situation sur le cahier d’expérience.

• Imaginer un dispositif permettant d’obtenir les mêmes effets.

• Dessiner ce dispositif sur le cahier d’expériences.

• Le construire avec le matériel fourni. • Ecrire les effets constatés : les roues

fonctionnent-elles de la même façon que sur la boîte mystérieuse ?

• On peut enfin ouvrir la boîte pour comparer le dispositif initial et celui qui a été imaginé.

Lexique : • pignon : roue dentée • engrenage : ensemble composé d’au moins deux pignons • axe • démultiplication : diminution de la vitesse • surmultiplication : augmentation de la vitesse

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ATELIER 4 : Qu’y a-t-il dans l’essoreuse à salade ?

Connaissance visée : Pour produire un mouvement de sortie plus rapide que le mouvement d’entrée (surmultiplication), le pignon d’entrée doit être plus grand que le pignon de sortie.

Attention !

Contrairement à l’atelier 2, bien qu’il n’y ait que deux pignons,

la roue intérieure tourne dans le même sens que la manivelle car le second pignon est placé à l’intérieur

du premier.

Dispositif expérimental : Deux essoreuses à salade : • une entière • une démontée

Effet attendu :

La roue intérieure tourne plus vite que la manivelle extérieure.

Explication :

Le pignon d’entrée (52 dents) est plus grand que le pignon de sortie (14 dents). Quand le premier fait un tour, le second en fait 4.

Démarche :

• Observer le dispositif (sans enlever le couvercle)

• Emettre des hypothèses. • Représenter la situation sur le cahier

d’expériences.

• Dessiner le dispositif. • Choisir parmi les fiches celle qui

correspond au dispositif. • Vérifier avec l’essoreuse démontée

Lexique : • pignon : roue dentée • engrenage : ensemble composé d’au moins deux pignons • engrenage planétaire : pignon agissant à l’intérieur d’une roue crantée • axe • démultiplication : diminution de la vitesse • surmultiplication : augmentation de la vitesse

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ATELIER 5 : La vitesse du vélo.

Connaissances visées : ♦ Le nombre de tour d’une roue arrière dépend de la taille du pignon. ♦ Avec un vélo, le petit pignon permet de faire plus de tours de roue arrière (plus de

distance)

Variables expérimentales : La taille des pignons et leur nombre de dents.

Dispositif expérimental :

• Un vélo fixé sur un support. • La jante arrière sans pneu va servir

d’enrouleur pour une ficelle servant de mesure.

• On effectue un seul tour de pédalier avant (système de blocage).

Effet attendu : C’est sur le petit pignon que la roue fait le plus de tours. Les roues dentées (qui ne sont pas en contact) agissent comme des poulies et la chaîne sert de courroie : le sens de rotation est le même.

Explication : Plus le pignon arrière est petit plus il va faire de tours.

Démarche : • Observer le dispositif. • Emettre des hypothèses : C’est sur tel pignon qu’il faut mettre la chaine pour que la roue fasse le plus de tours, donc parcourt la plus longue distance. Exprimer pourquoi. • Représenter la situation sur son cahier

d’expériences. • Expérimenter. • Tirer les conclusions. Si les élèves disent que la vitesse de rotation influe sur la longueur de ficelle : leur faire répéter l’expérience avec plusieurs vitesses de rotation du pédalier (il n’y a pas de changements !)

Lexique : • pignon : roue dentée • démultiplication : diminution de la vitesse • surmultiplication : augmentation de la vitesse

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Fiche de résultats

Pignons Nombre de dents Longueur de ficelle enroulée Pignon1 Le plus petit

Pignon2

Pignon3

Pignon4

Pignon5 Le plus grand

Fiche de résultats

Pignons Nombre de dents Longueur de ficelle enroulée Pignon1 Le plus petit

Pignon2

Pignon3

Pignon4

Pignon5 Le plus grand

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ATELIER 6 : Roues et courroies 1

Connaissance visée : ♦ La vitesse augmente ou diminue en variant la taille d’une roue.

Variables expérimentales : • Taille des roues

• Position de la courroie.

Dispositif expérimental :

• 4 boîtes (2 grandes et 2 petites), 2 des boîtes (une grande et une petite) ont une manivelle.

• 3 courroies,

Effet attendu : 1. La plus petite roue sans manivelle tourne plus vite que la grande. 2. La plus grande roue sans manivelle tourne moins vite que la plus petite. 3. Deux roues de diamètre identique tournent à la même vitesse..

Démarche :

• Observer le dispositif. • Questions posées : 1 – Trouver un dispositif pour faire tourner une roue sans manivelle plus vite que l’autre. 2 – Trouver un dispositif pour faire tourner une roue sans manivelle moins vite que l’autre. 3 – Trouver un dispositif pour faire tourner deux roues à la même vitesse. • Emettre des hypothèses :

- Que va-ton choisir ? - Comment va-ton faire ?

• Représenter la situation sur son cahier d’expériences.

• Expérimenter. • Tirer les conclusions.

Lexique : • roue menante (ou en entrée) : roue à laquelle on applique le mouvement. • roue menée (ou en sortie) : roue à laquelle la courroie transmet le mouvement. • courroie ou chaîne. • axe • démultiplication : diminution de la vitesse • surmultiplication : augmentation de la vitesse Nota Bene : Le dispositif comprend un disque adaptable sur une des petites boites. Cela permet de vérifier, que ce qui compte dans la vitesse de rotation est le point d’application de la force, non le diamètre de l’objet mis en mouvement.

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ATELIER 6 bis : Roues et courroies 2

Connaissances visées : Le sens de rotation d’une roue s’inverse en croisant la courroie.

Variable expérimentale : • Position de la courroie.

Dispositif expérimental : • 2 boîtes dont une avec manivelle • courroies Effet attendu : Faire tourner la boîte sans manivelle dans le sens inverse de celle qui a la manivelle. Explication : Il faut croiser la courroie.

Démarche : • Observer le dispositif. • Questions posées : Comment faire pour que la roue sans manivelle tourne en sens inverse ? • Emettre des hypothèses : - Que va-ton choisir ? - Comment va-ton faire ? • Représenter la situation sur son cahier

d’expériences. • Expérimenter. • Tirer les conclusions.

Lexique : • roue menante (ou en entrée) : roue à laquelle on applique le mouvement. • roue menée (ou en sortie) : roue à laquelle la courroie transmet le mouvement. • courroie ou chaîne. • axe • démultiplication : diminution de la vitesse • surmultiplication : augmentation de la vitesse

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ATELIER 7 : Objets du quotidien

Connaissance visée : Comprendre le fonctionnement d’objets quotidiens.

Dispositif expérimental : Des objets de la vie quotidienne sont réunis sur une table : voiture à friction, fouet ménager, tire bouchon… En classe (après la visite) : A partir de schémas ou de photos, repérer engrenages et roues, éventuellement mettre en évidence le sens de rotation de chacun des éléments.

Démarche : • Observer le matériel. • Repérer engrenages et roues. • Eventuellement faire un

schéma.

Lexique : • roue • courroie ou chaîne • axe • démultiplication : diminution de la vitesse • surmultiplication : augmentation de la vitesse • pignon : roue dentée • engrenage : système de pignons

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BIBLIOGRAPHIE υLa documentation par l’image (Nathan) n° 89 (Avril 99) – Mécanismes. υMéga expériences – Nathan υMon bibliotexte cycle 3 – Bordas υBibliothème Celda - Fichier GS/CP Mécanique : Découverte et expérimentation

Cd-rom υComment ça marche (volume 2). David Macaulay - Editions Nathan

Autres ouvrages (disponibles au centre de documentation :Inspection de circonscription)

υSciences et technologie : mécanismes et énergie – cycle 3 – collection démarches et outils pour la classe – CRDP Nord- Pas de Calais

Matériels à manipuler/expérimenter

υLegodacta, Mécano υCapsela engrenages

Sites internet

υhttp://www.sciences92.ac-versailles.fr/spip/article.php3?id_article=21 (construction avec matériel legodacta) υhttp://www.lescale.net/machines/engrenag.html (histoires-problèmes à résoudre avec les engrenages (à consulter avec les élèves) http://museeduvelo.free.fr/

Musées Musée du vélo à CORMATIN (71)