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Science on tourne 2017
Par : Laurence Bouchard et Maude Tremblay
Résumé: Science on tourne 2017 Bouchard, L. & M. Tremblay.
2017. Rapport interne. Sciences, Cégep St-Félicien. Par une suite
d’essai erreur, un véhicule a été construit dans le but de ramasser
22 balles de golf. Un mécanisme ingénieux fait tomber les balles
dans un contenant situé près du véhicule.
Abstract: Science on tourne 2017 Bouchard, L. & M. Tremblay.
2017. Internal report. Sciences, Cégep St-Félicien. With a serie of
tests and errors, a vehicle was built for the purpose of picking up 22
golf balls. An ingenious mechanism drops the balls into the box.
Mots-clés : Science on tourne, balles de golf, engin, défi, physique,
mécanique.
1. Introduction
Science on tourne est une compétition intercollégiale qui, chaque année, lance un
défi scientifique et technique que les participants doivent relever en faisant preuve
d’ingéniosité. Cette année, le défi est de construire un engin capable de ramasser
des balles de golf et de les mettre dans un contenant.
2. Cadre théorique et méthodologie
2.1 Théorie
Tout d’abord, il est important de comprendre certains concepts de mécanique tels
que l’énergie cinétique, l’énergie potentielle, l’énergie mécanique et les propriétés
d’un corps en rotation autour d’un axe.
L’énergie cinétique est l’énergie que possède un objet à cause de son mouvement
(Benson 2009). L’énergie potentielle est l’énergie emmagasinée dans un objet.
L’énergie potentielle d’un ressort, ou énergie potentielle élastique, se définit selon
l’étirement ou la compression du ressort. L’énergie mécanique est la somme de
l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle. Selon la loi de la conservation de
l’énergie, l’énergie présente dans un système isolé demeure constante au fil du
temps.
Un corps en rotation autour d’un axe possède une vitesse, une période et une
fréquence. La vitesse angulaire (ω) est le taux de variation de la position angulaire
par rapport au temps. La période (T) est la durée d’un tour complet autour de l’axe.
La fréquence (f) est le nombre de tours par secondes. Voici les équations qui mettent
en relation ces trois concepts :
f = 1/T (éq. 1)
Science on tourne 2017 2
ω= 2π/T=2πf (éq. 2)
Où f : fréquence (s-1)
T: période (s)
ω : vitesse angulaire (rad/s)
Lors de la rotation d’un véhicule, les roues tournent autour d’un centre de rotation,
c'est-à-dire que leur trajectoire doit être concentrique. L’angle de braquage des
roues doit être tel que la direction de la roue est tangente au cercle dessiné par la
roue autour du centre de rotation. Avec un essieu brisé (fig. 1), l’angle de la roue
intérieure doit être plus grand que celui de la roue extérieure.
Fig. 1 : Angle de braquage des roues d’un véhicule
Le but de cette expérience est de construire un engin capable de ramasser 22 balles
de golf et de les mettre dans un contenant tout en respectant certains critères.
Comme ce projet est réalisé dans le cadre d’un défi, il y a certaines consignes qui
sont imposées.
Voici les principaux règlements à respecter:
-L’objectif est d’accumuler le plus de points possible. Les points se calculent de la
façon suivante : 5 points par balle située dans le contenant et 1 point par balle
ramassée par le véhicule et ne touchant pas au sol. -Le contenant est une boîte de papier de 5 000 feuilles de format 8 ½ x 11 (21,6 cm
x 27,9 cm) sans couvercle.
-Le véhicule doit effectuer ses actions sur l’aire de jeu (fig. 2)
-Les balles de golf sont placées sur des raccords cannelés de plomberie de 9,3 cm de
haut.
-Elles sont situées sur des cercles concentriques de 60 et de 100 cm de rayon. Elles
sont positionnées à un angle de 30°.
-La boîte doit être située dans le cercle de 60 cm de rayon.
-Avant le départ, toutes les parties de l’engin touchant au sol doivent se trouver
dans la zone de départ (fig. 2).
-L’engin doit effectuer ses actions en 60 secondes.
-Toute forme d’énergie peut être utilisée sauf la combustion. L’utilisation de piles au
lithium est interdite.
-L’engin, les outils ainsi que le reste du matériel technique doivent être contenus dans un maximum de deux boîtes de papier de 5 000 feuilles de format 8 ½ x 11
(21,6 x 27,9).
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L’intégralité des règlements et les précisions peuvent être retrouvées dans le
dépliant (voir annexe I)
Fig. 2. Dimensions (cm) de l’aire de jeu
Donc nos hypothèses sont les suivantes:
En alignant les essieux selon les rayons d’un cercle, l’engin tournera selon la
trajectoire de ce cercle.
En frappant les supports à une certaine vitesse, les balles pourront tomber dans le
véhicule.
Si le véhicule va à une certaine vitesse et qu’il arrête brusquement, l’inertie fera
tomber le poids.
Afin d’atteindre le but, on s’est fixé les objectifs suivants : que le véhicule
accomplisse ses actions en 20 secondes, qu’il mette les 22 balles de golf dans la
boîte et qu’il soit le plus écoresponsable possible.
Afin d'atteindre, on a procédé par essai-erreur avec le matériel et les outils à notre
portée. Les résultats sont surprenants.
2.2 Méthodologie et matériel
Matériel :
Le matériel utilisé se retrouve en annexe. (Voir annexe II)
Méthodologie :
Pour ce qui est de la démarche, on a procédé par essai-erreur. Le montage final se
retrouve sur la figure 3. On a construit la base du véhicule en bois. On a aligné les
essieux selon les rayons du cercle composant l’aire de jeu (fig. 4). Pour faire avancer
l’engin, on a fixé un ressort spiral sur l’essieu arrière. De plus, on a attaché un
ressort de traction à une corde, elle-même enroulée à l’essieu arrière. En enroulant
l’essieu vers l’arrière, on emmagasine assez d’énergie pour faire avancer notre
véhicule rapidement. On a placé un panneau de signalisation au milieu de la piste
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(fig. 5). On l’a fixé avec de la gomme bleue et l'on y a accroché une moulure de
finition de céramique. L’autre extrémité est attachée au véhicule. On y a attaché un
cadre en métal qui est placé autour de la boîte de carton. On a construit un
contenant en carton ressemblant à une pelle mécanique afin de ramasser les balles.
Il se situe à l’avant du véhicule et il est fixé par des pentures qui lui permettent de
lever. Sur l’essieu arrière fait d’une tige filetée, on a inséré un écrou sur lequel un
autre écrou est soudé (fig. 6). Un boulon est inséré dans ce second écrou. Un
support en bois soutient un poids accroché à une corde qui passe par une poulie.
Cette corde est fixée sur le contenant qui contient les balles. On a ensuite fait des
essais en calculant le temps que prend l’engin pour faire ses actions, le nombre de
balles ramassées et le nombre de balles déposées dans le contenant.
Fig. 3. Montage de l’engin Fig. 4. Angle entre les essieux
Fig. 5. Montage sur l’aire de jeu Fig. 6. Essieu arrière
3. Résultats
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Après chaque modification, le véhicule ramassait de plus en plus de balles. Au final, il
ramasse 22 balles et en dépose 22 dans le contenant du centre. Il fait ses actions en
10 secondes (annexe III).
4. Discussion
4.1 Interprétation
La première hypothèse était qu’en alignant les essieux selon les rayons d’un cercle,
l’engin tournerait selon la trajectoire de ce cercle. Ayant préalablement ajusté nos
essieux selon un angle de 22°, on a fait rouler le véhicule sur la piste et on a
constaté qu’il suivait effectivement la trajectoire et revenait à sa position initiale. La
première hypothèse a donc été confirmée.
La deuxième hypothèse était qu’en frappant les supports à une certaine vitesse, les
balles pourraient tomber dans le véhicule. Avec l’énergie procurée par les ressorts,
l’engin a atteint une vitesse considérable. En plaçant les supports aux endroits
appropriés, les 22 balles tombent dans le contenant. Cela a confirmé notre seconde
hypothèse.
La troisième hypothèse était que si le véhicule allait à une certaine vitesse et qu’il
arrêtait brusquement, l’inertie ferait tomber le poids. L’écrou fixé sur l’essieu arrière
se déplace au fur et à mesure que l’engin avance. Lorsqu’il atteint l’autre écrou sur la
tige filetée, l’essieu bloque, ce qui fait arrêter le véhicule subitement. En faisant des
essais, le poids placé sur le support en bois tombait lorsque le véhicule arrêtait. Cela
a donc confirmé notre troisième hypothèse.
Les trois objectifs ont été atteints. Premièrement, le véhicule réussit ses actions en
moins de 20 secondes. En effet, il réussit ses actions en 10 secondes.
Deuxièmement, le véhicule dépose toutes les 22 balles dans le contenant.
Finalement, nous avons réussi à le rendre écoresponsable en utilisant des matériaux
recyclés qui sont pour la plupart recyclables et/ou réutilisables. On peut donc
conclure que notre but a été atteint.
4.2 Critique
Les résultats obtenus sont fiables. En effet, ce sont plus des résultats qualitatifs que
quantitatifs comme vérifier si le véhicule se déplace selon la trajectoire de la piste, si
l’inertie fait tomber le poids et si les balles tombent dans le contenant. Puisque nous
n’avions pas à prendre de mesures, peu de facteurs peuvent venir fausser les
résultats. La constance de l’engin nous permet également de conclure que les
résultats sont fiables. En effet, même après plusieurs essais, les résultats étaient en
grande majorité les mêmes. Les essais non réussis ont pu être causés par des
erreurs de notre part. Par exemple, il nous arrivait de mal positionner le poids, ce qui
l’empêchait de tomber. De plus, si l'on plaçait mal l’écrou, le véhicule arrêtait avant
d’avoir ramassé les dernières balles. Par contre, les facteurs ne sont pas suffisants
pour invalider nos résultats.
La démarche par essai-erreur comporte certains points faibles. Premièrement, c’est
assez long, car souvent, lorsqu’on règle un problème, plusieurs autres apparaissent,
parce qu’on se rend compte qu’on n’avait pas pris en compte telle ou telle contrainte.
C’est aussi très incertain, car malgré les calculs, les résultats expérimentaux sont
souvent très différents de la réalité, car on ne peut pas prendre en compte toutes les
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variables extérieures. Cela peut influencer le résultat final, car le temps est limité,
donc plus la démarche est longue, moins on peut améliorer l’engin.
Le point, fort de cette démarche, c’est que cette méthode est la plus appropriée pour
notre projet. En effet, aucun autre projet semblable n’a été réalisé, donc on ne peut
pas prendre exemple sur les autres. On ne peut pas penser à un prototype parfait
dès le premier coup et dessiner les schémas pour ensuite le construire, il y a bien
trop de variables à prendre en compte. Il faut faire plusieurs essais.
4.3 Retombées
Étant donné que le projet est réalisé dans le cadre d’un concours diffusé à la
télévision, cela permettrait de faire connaître l’ingéniosité des jeunes de niveau
collégial. Cela inciterait les plus jeunes à s’intéresser davantage à la science et
même de les pousser à entreprendre des projets similaires. De plus, cela montrerait
aux générations précédentes l’aptitude des étudiants, à prendre en charge et à
résoudre les problèmes de la société
4.4 Suggestions
Afin d’améliorer le projet, il serait intéressant d’apporter certaines modifications.
Premièrement, il faudrait modifier notre démarche. En effet, il serait plus efficace de
faire une liste de toutes les contraintes à respecter et d’en tenir compte tout au long
du projet. Cela pourrait aider à réduire le nombre d’essais effectués. En réduisant le
nombre d’essais, on pourrait gagner du temps et, ainsi, on pourrait davantage
perfectionner l’engin.
Enfin, il pourrait être intéressant de reproduire l’expérience en ajoutant des balles
sur la piste. Par exemple, on pourrait placer 40 balles et émettre l’hypothèse
suivante : le véhicule réussira à ramasser toutes les balles à condition de mettre un
ressort plus puissant.
5. Conclusion
Le but du projet était de construire un engin capable de ramasser des balles de golf
et de les mettre dans un contenant en respectant certains critères. Les hypothèses
de départ étaient qu’en alignant les essieux selon les rayons d’un cercle, l’engin
tournerait selon la trajectoire de ce cercle, qu’en frappant les supports à une certaine
vitesse, les balles pourraient tomber dans le contenant et que si le véhicule allait à
une certaine vitesse et qu’il arrêtait brusquement, l’inertie ferait tomber le poids. Nos
objectifs étaient que le véhicule accomplisse ses actions en 20 secondes, qu’il mette
les 22 balles de golf dans la boîte et qu’il soit le plus écoresponsable possible. La
méthode utilisée pour atteindre notre but était de construire l’engin par essai-erreur.
En faisant des essais, on a découvert que le véhicule faisait ses actions en 10
secondes et qu’il plaçait 12 balles dans le contenant. Toutes nos hypothèses ont été
confirmées. 2 de nos 3 objectifs ont été atteints. On peut donc conclure que notre
but a été partiellement atteint.
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Médiagraphie
BENSON H. (2009). Physique 1 : Mécanique. Éd. ERPI. Montréal, 737 pages.
CENTRE DE DÉMONSTRATION EN SCIENCES PHYSIQUES. Dépliant Science, on
tourne! : Balle masquée, (Page consultée le 15 janvier 2017) [Version en
ligne], http://scienceontourne.com/newsite/wpcontent/uploads/2017/01/CDSP
_SOT1617_ depliant-FR_pages_separees_janv017.pdf.
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Iconographie
# Fig. section titre : https://pixabay.com/p-1073465/?no_redirect
# Fig. 1 : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ackermann_turning.svg
# Fig. 2 : http://scienceontourne.com/le-defi-2017/
# Fig. 3 : Photo personnelle. M. Tremblay. 2017. Reproduction interdite.
# Fig. 4 : Idem à fig. 3
# Fig. 5 : Idem à fig. 3
# Fig. 6 : Idem à fig. 3