® 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.
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.
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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.
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.
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”.
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.
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.
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.
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.
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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.
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.
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.
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 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.
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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.
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.
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.
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 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.
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
