Objets mécaniques : transmission du mouvement« Monter et descendre dans un puits de mine»

1. Références aux textes officiels (Programmes 2008 & BOEN n°1 du 5 janvier 2012) Connaissances : Objets mécaniques : transmission de mouvement.- Concevoir et expérimenter un dispositif technique pour soulever ou déplacer un objet.- Analyser et comparer le fonctionnement de différents objets techniques de la vie quotidienne dans lesquels un mouvement est transmis ou transformé. Identifier ces transformations et ces transmissions.- Connaître des dispositifs de transmission du mouvement.- Connaître des dispositifs de transformation du mouvement.Vocabulaire : engrenage, roue dentée, poulie, courroie, transmission, transformation, rotation, translation Le vocabulaire est à adapter selon le dispositif produit. Compétences :L’élève est capable de : - pratiquer une démarche d’investigation : savoir observer, questionner ; - manipuler et expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter ; - mettre à l’essai plusieurs pistes de solutions ; - exprimer et exploiter les résultats d’une mesure ou d’une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral ; - maîtriser des connaissances dans divers domaines scientifiques ; - mobiliser ses connaissances dans des contextes scientifiques différents et dans des activités de la vie courante; - exercer des habiletés manuelles, réaliser certains gestes techniques.

2. Les connaissances visées peuvent ici se résumer à :Objets mécaniques : transmission de mouvement.

On parle de transmission lorsqu’une pièce en mouvement (une roue par exemple tournant dans un plan vertical) entraîne une autre pièce dans le même plan*.Dès qu'au moins deux roues dentées sont en contact [les dents s'engrènent], on parle d'engrenage. Deux roues à gorge (appelées poulies) sont reliées par des courroies de transmission ; deux roues dentées distantes sont reliées par une chaîne. Pour mettre en mouvement un engrenage ou un système de poulies, il faut exercer une force motrice sur la pièce entraînante (roue dentée ou poulie).

Les engrenages permettent de transmettre un mouvement de rotation. Le sens de rotation s'inverse d'une roue à la suivante. La vitesse de rotation augmente ou diminue suivant que l'on passe à une roue plus petite ou à une roue plus grande. Par exemple, si une roue possède 3 fois moins de dents que la précédente, alors elle tournera 3 fois plus vite. Le rapport entre les vitesses de deux roues dentées est égal au rapport entre leur nombre de dents.

Les poulies permettent de transmettre un mouvement de rotation. Le sens de rotation s'inverse d'une roue à la suivante si la courroie qui les relie est croisée. Sinon, le sens de rotation reste le même. La vitesse de rotation augmente ou diminue suivant que l'on passe à une roue plus petite ou à une roue plus grande.Par exemple une poulie dont le diamètre est deux fois plus petit que le diamètre de la précédente tourne 2 fois plus vite. Le rapport entre les vitesses de deux poulies est égal au rapport entre leurs diamètres.

* Remarque : On parlera de transformation de mouvement quand la pièce entraînée se déplacera par exemple dans un plan perpendiculaire au premier ou, autre exemple, quand un mouvement de rotation sera transformé en mouvement de translation, comme dans la maquette de la remontée du puits de mine.

3. Séquence proposée :

La transmission du mouvement.3.1. Analyse du fonctionnement de quelques objets mécaniques

3.2. Défi : Pouvez-vous faire tourner la seconde roue sans la toucher ?

3.3. Pouvez-vous déterminer le sens et la vitesse de rotation des roues ? a - Sens de rotation b - Vitesse de rotation3.4. Monter et descendre dans un puits de Mine. a - Défi 1 (réinvestissement) b – Visite du Musée Mine Départemental. c – Défi 2. : Atelier au Musée .

3.1. Analyse du fonctionnement de quelques objets mécaniques Analyser et comparer le fonctionnement de différents objets techniques de la vie quotidienne dans lesquels un mouvement est transmis. Identifier ces transmissions.

« Comment fonctionnent ces objets ? »

Chaque groupe d’élève a un objet à étudier parmi : essoreuse à salade / panier à salade, ouvre-boîte mécanique / ouvre-boîte simple, batteur à œufs mécanique / fouet,

- Observation des objets et première analyse : Que doit faire l’objet ? Quel(s) avantage(s) apportent les mécanismes ? Quel est le principe de fonctionnement de l’objet ?

- Mise en commun : chaque groupe passe devant le reste de la classe et décrit son objet [nom, utilité] ainsi que son principe de fonctionnement

- Synthèse : Pour chaque objet, photo + un schéma de fonctionnement avec explications (quelle pièce entraîne quelle pièce)

Exemples de schématisations :

Essoreuse

Batteur

Vocabulaire introduit : transmission, rotation

3.2. Défi : Pouvez-vous faire tourner la seconde roue sans la toucher ? Connaître des dispositifs de transmission du mouvement [1]

« Pouvez-vous faire tourner la seconde roue en ne touchant que la première ?»

Matériel CELDA fourni en classe par équipe :- Pour 4 groupes sur les 7 : une plaque de base, deux petits axes,

deux roues dentées- Pour les 3 autres groupes : une plaque de base, deux petits axes,

deux poulies, une courroie (élastique)

Mise en commun : Chaque groupe passe devant le reste de la classe et présente sa solution.Réponses attendues : - Pour les roues dentées, les placer côte à côté sur le même plan pour … … … … … … … … … …. qu’elles s’engrènent. - Pour les poulies, les relier grâce à la courroie. Conclusions :Un engrenage est un dispositif constitué d’au moins deux roues dentées qui s’engrènent. Les engrenages permettent de transmettre un mouvement de rotation. De même, les poulies (système constitué de deux poulies reliées par une courroie) permettent de transmettre un mouvement de rotation.Schémas des deux dispositifs.

3.3. Pouvez-vous déterminer le sens et la vitesse de rotation des roues ? Connaître des dispositifs de transmission du mouvement [2]

A -Sens de rotation Question(s) à laquelle les élèves vont devoir répondre : Dans un engrenage avec deux roues dentées, les deux roues tournent-elles dans le même sens ? Deux poulies reliées par une courroie tournent-elles dans le même sens ? Que se passe-t-il si on croise la courroie ? Travail en groupe, même matériel que pour la séance 3.4. Déroulement :- Émission d’hypothèse(s).- Phase de manipulation pour valider/invalider les hypothèses.- Leur demander de faire un schéma du dispositif qui fait apparaître le sens de rotation des deux roues/poulies.- Mise en commun.Conclusions :Dans un engrenage, le sens de rotation s’inverse d’une roue à la suivante. Pour des poulies, le sens de rotation s’inverse d’une roue à la suivante si la courroie qui les relie est croisée. Sinon, le sens de rotation reste le même.

B - Vitesse de rotation Question à laquelle les élèves vont devoir répondre : Dans un engrenage avec une grande roue et une petite roue, pendant que la grande roue fait un tour, combien de tours la petite roue fait-elle ?Travail en groupe. Matériel : pour chaque groupe une plaque de base, deux petits axes, deux roues dentées de tailles différentes (20 et 60 dents).Déroulement :- Émission d’hypothèse.- Phase de manipulation pour valider/invalider les hypothèses.- Eventuellement faire calculer les rapports entre les vitesses de rotation et entre le nombre de dents.- Mise en commun.Conclusions :La vitesse de rotation augmente ou diminue suivant que l'on passe à une roue plus petite ou à une roue plus grande. Par exemple, si une roue possède 3 fois moins de dents que la précédente, alors elle tournera 3 fois plus vite. Le rapport entre les vitesses de deux roues dentées est égal au rapport entre leur nombre de dents.

3.4. Monter et descendre dans un puits de Mine.

a - Défi 1 (réinvestissement): Avec les éléments donnés, construire une maquette permettant de faire monter et descendre un ascenseur sans manipuler la cage, mais avec :- un cable (ficelle) s'enroulant sur une poulie ;- un système d'entraînement (par poulies courroie) de l'axe sur lesquel s'enroule le câble.

Déroulement suggéré :

1. Les élèves disposent des consignes, d'une fiche techno (voir ci-dessous). Les pièces gagneront à être montrées et nommées.

2. Une fois leur croquis effectué, les élèves auront par deux et à tour de rôle, à essayer le montage.A ce stade ils ont à corriger leur croquis individuellement et à redémonter les éléments après l'avoir présenté leur construction à l'enseignant.

3. L'aboutissement à l'objet technique attendu peut se faire :- par comparaison de photos des montages et schématisation finale collective ;- par schématisation à partir de la photo fournie ci-contre.

Concevoir et expérimenter un dispositif technique.

Projet : J’ai à construire un ascenseur avec :- un cable (ficelle) s'enroulant sur une poulie ;- un système d'entraînement poulies courroie de l'axe sur lesquel s'enroule le câble.

Voici la liste des éléments de construction fournis :

Je trace le schéma de montage :

J’organise les étapes de construction :

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J’évalue ma réalisation :

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