® Education LE GUIDE DE L’ENSEIGNANT LES ENGRENAGES LES MACHINES SIMPLES 78630
LES MACHINES SIMPLES LES ENGRENAGES Guide de I’enseignant 96566-V3-10/14 © 2014 K’NEX Limited Partnership Group Protégé par le droit d’auteur international. Tous droits réservés. K’NEX Education est une marque déposée de K’NEX Limited Partnership Group. Développé, produit et distribué aux États-Unis et au Canada Par K’NEX Education Cet ensemble est conforme aux spécifications du règlement F963-03 (Standard Consumer Safety Specification on Toy Safety) de l’ASTM. K’NEX Limited Partnership Group P.O.
Introduction : LES MACHINES SIMPLES Informations générales Ce Guide de l’enseignant a été développé pour vous aider pendant que vos étudiants explorent l’ensemble Introduction aux machines simples : les engrenages de K’NEX.
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Les engrenages LES ENGRENAGES Informations générales Objectifs Les étudiants devront : 1. étudier les caractéristiques des systèmes d’engrenages et en comprendre le fonctionnement. 2. décrire les relations entre les différentes parties d’un système d’engrenages 3. construire différents types de systèmes d’engrenages et démontrer comment ils fonctionnent. 4. comprendre comment les différences de taille des engrenages dans un système affectent la vitesse et la force générées par ce système. 5.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Roue menante : La roue menante est la roue sur laquelle la force est appliquée. Elle transfère l’effort à la roue suivante (dans un train d’engrenages) qui est la roue menée. Roue menée : La roue qui fait bouger la charge. Roue intermédiaire : Cette roue fait en sorte que les roues situées de chaque côté d’elle tournent dans la même direction. L’effet mécanique : (Les étudiants doivent savoir comment utiliser les fractions.
LES ENGRENAGES Pour fonctionner correctement, les dents des engrenages doivent s’emboîter ou être reliés par une courroie ou une chaîne. Un train d’engrenages simple comprend deux ou plusieurs engrenages et seulement un engrenage sur chaque axe. L’engrenage sur lequel est appliqué l’effort se nomme la roue menante. Dans le modèle K’NEX du ventilateur à manivelle, la roue menante est l’engrenage attaché à l’axe de la manivelle.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Multiplier la force appliquée pour accomplir un travail. En utilisant différentes tailles d’engrenages ou de roues de chaîne reliés par une chaîne ou une courroie, on affecte la force de puissance de la roue menée. Un petit engrenage menant un engrenage plus grand multiplie la force aux dépens de la vitesse. (Pour utiliser cette formule, les étudiants doivent comprendre les fractions et les rapports.
LES ENGRENAGES • Décélération Une petite roue menante actionnant une roue menée plus grande ralentit la vitesse de rotation de l’axe de la roue menée. Par exemple : Une roue menante de 14 dents accomplit 6 tours complets pour chaque tour effectué par une roue menée de 84 dents. Le rapport d’engrenage est de 6 : 1, indiquant que la vitesse fournie par la roue menante est 6 fois plus rapide que la vitesse produite par la roue menée. C’est ce qu’on appelle la démultiplication.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Roue plate : Ces engrenages sont disposés à angle droit l’un de l’autre. Les engrenages de tailles différentes tournent à des vitesses différentes, selon des forces variées. Engrenage à crémaillère : Ce type d’engrenage est constitué d’une tige dentée et d’une roue dentée. L’engrenage à crémaillère transforme un mouvement circulaire en un mouvement linéaire.
Le ventilateur à manivelle : LES ENGRENAGES Le ventilateur à manivelle Un exemple de l’utilisation d’un système à engrenages droits Objectifs Les étudiants devront : 1. comprendre et décrire le transfert du mouvement grâce à un système à engrenages droits. 2. étudier la relation entre la taille des engrenages, la vitesse de rotation et la force.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Expliquez que les engrenages sont des machines simples qui transfèrent l’énergie sous forme de mouvement d’un endroit à un autre. Utilisez un jouet ou un train d’engrenages que vous aurez construit afin de démontrer ce qui se produit lorsque vous actionnez un engrenage en contact avec un autre. Suggestion : Construisez un train d’engrenages grâce à des cercles de carton de même dimension et quelques bâtons de sucettes glacées.
LES ENGRENAGES Vous voudrez peut-être introduire le concept de mouvement et utiliser des termes formels pour décrire les types de mouvements utilisés par les étudiants dans les activités précédentes.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT (c) Demandez aux étudiants d’expliquer comment le système d’engrenages actionne les pales du ventilateur. Aidez-les à comprendre que les engrenages s’emboîtent l’un dans l’autre et qu’ils sont alignés ensemble. Rappelez aux étudiants leur première expérience faite avec les deux engrenages. Expliquez qu’il s’agit du même type d’agencement, c’est-à-dire un système d’engrenages droits, les engrenages s’emboîtent sur une ligne droite ou sur un même plan.
LES ENGRENAGES 4. Le ventilateur à manivelle Demandez aux étudiants d’attacher un petit morceau de ruban adhésif à l’extrémité d’une des pales et de le prendre comme point de référence pendant que le ventilateur fonctionne. Demandez-leur de tourner la manivelle. (a) Demandez aux étudiants de tourner la manivelle d’un tour. Ils peuvent ensuite continuer, mais en variant la vitesse de rotation.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT NOTE : Nous recommandons que deux équipes travaillent ensemble pour les prochaines étapes. Un groupe doit construire un modèle dans lequel la roue menante est plus grande, et l’autre équipe, un modèle dans lequel la roue menante est petite. Les deux équipes pourront ensuite comparer leurs résultats. 5.
LES ENGRENAGES Le ventilateur à manivelle Mise en application Révisez les résultats de l’étape 3 avec la classe : La manivelle et l’engrenage placé sur son axe bougent-ils à la même vitesse? Ils tournent à la même vitesse : un tour de manivelle permet à l’engrenage situé sur son axe de tourner une fois. Avez-vous remarqué les mêmes résultats en utilisant un engrenage plus grand? Un engrenage plus petit? Oui.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Pour aller plus loin (Les niveaux suggérés sont indiqués.) [pour les 3 ou 4e année] 1. Suggérez que les étudiants cherchent sur internet plus d’informations à propos des systèmes d’engrenages. Il suffit d’entrer le terme engrenage dans un moteur de recherche. [pour les 5e année] 2. (a) Rappelez aux étudiants qu’ils ont utilisé une méthode extrêmement simple pour déterminer les vitesses d’approvisionnement et de puissance aux étapes 4 e, 5c et 5e.
LES ENGRENAGES Le ventilateur à manivelle [5e années] (c) Demandez aux étudiants de déterminer le rapport d’engrenage de leur ventilateur. Ils devraient inscrire ce rapport dans leur Journal et décrire, dans leurs mots, ce que le rapport d’engrenage signifie par rapport à leur ventilateur. (d) Demandez-leur quel est l’avantage de ce train d’engrenages. S’ils ont besoin d’un indice, demandez-leur s’il tourne plus ou moins facilement.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Vérification du Journal Les étudiants doivent inscrire leurs observations et les résultats de leurs expériences dans leur Journal individuel. Voici ce qu’ils devraient y avoir inscrit. 4 Schéma du ventilateur, identifications des parties et flèches montrant la direction du mouvement. 4 Diverses observations. 4 Hypothèses. 4 Conclusions. 4 Tableau résumant leurs expériences.
La fenêtre de voiture : LES ENGRENAGES La fenêtre de voiture Un exemple de système d’engrenages droits utilisé pour convertir un mouvement rotatif en mouvement linéaire Objectifs Les étudiants devront : 1. construire et comprendre le mécanisme d’un modèle représentant un objet utilisé dans la vie quotidienne. 2. observer comment un mouvement rotatif est converti en mouvement linéaire en utilisant un système d’engrenages droits. 3.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Demandez aux étudiants d’expliquer la notion de travail. Les étudiants devraient pouvoir fournir une réponse adéquate similaire à celle fournie à la page 3 de ce Guide. Expliquez qu’ouvrir une fenêtre de voiture demandait habituellement d’abaisser ou de descendre la fenêtre manuellement. [Faites le mouvement pour qu’ils comprennent.] Demandez aux étudiants d’identifier le type de mouvement requis pour manipuler la poignée de la fenêtre (mouvement rotatif).
LES ENGRENAGES La fenêtre de voiture • Décrivez le mouvement de la fenêtre (le mouvement produit). • Pourquoi utilise-t-on un petit engrenage comme roue menante pour actionner une grande roue menée? • Comment peut-on contrôler la vitesse produite par le mécanisme? • Pourquoi la poignée tourne-t-elle plusieurs fois alors que la fenêtre monte ou descend très lentement? Les étudiants doivent inscrire leurs réponses dans leur Journal. 2.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Tableau des données 1 1er train d’engrenages Engrenage marron (14 dents) Engrenage jaune (34 dents) Type d’engrenage (roue menante/ menée) Menante Menée Effet d’une rotation de la poignée bleue sur les engrenages 1 rotation complète (14 dents) Moins d’un demi-tour (14 dents) Engrenage le plus rapide Force multipliée 4 La vitesse se perd dans le transfert 4 (b) Placez un autocollant sur l’une des dents du deuxième engrenage marron (14 dents) qui partage le même axe que l’en
LES ENGRENAGES La fenêtre de voiture (c) Placez un autocollant sur l’engrenage de 82 dents. Abaissez encore une fois la fenêtre et tournez la poignée d’une rotation complète pour fermer la fenêtre. Observez l’engrenage et comptez le nombre de dents parcourues pendant la rotation.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Mise en application Demandez aux étudiants de dessiner un schéma de la fenêtre de voiture dans leur Journal et d’identifier les parties suivantes : poignée, roue menante, roue menée et levier. Ces schémas devraient comprendre deux roues menantes et deux roues menées. Les étudiants doivent aussi dessiner des flèches montrant les directions des mouvements de chaque partie mobile du mécanisme.
LES ENGRENAGES Le mixeur : Le mixeur Un exemple de système à roue plate Objectifs Les étudiants devront : 1. construire et étudier le mécanisme d’un modèle représentant un objet réel. 2. observer comment un mouvement rotatif est transféré d’un plan à un autre en utilisant un système d’engrenage à roue plate.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Démontrez comment un vrai mixeur fonctionne et discutez : quelles sont les différentes tâches accomplies par un mixeur? comment certains mixeurs utilisent différentes vitesses pour couper, battre ou homogénéiser la nourriture? En utilisant le mixeur K’NEX comme exemple, démontrer au tableau comment dessiner des schémas simplifiés de systèmes d’engrenages, en utilisant des flèches pour montrer la direction de rotation des engrenages.
LES ENGRENAGES (b) À quel type de mouvement correspond la force de l’effort? (c) À quel endroit le mouvement produit se trouve-t-il? Quel type de mouvement est-ce? (d) Comparez le mouvement de l’effort et le mouvement produit. Comment sont-ils semblables? En quoi sont-ils différents? (e) Observez et décrivez le mouvement de chaque partie mobile. La partie tourne-t-elle sur un plan vertical ou horizontal? Le mixeur C’est un mouvement rotatif. Le mouvement produit est dans les lames.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Mise en application Expliquez aux étudiants qu’ils ont construit un système d’engrenages à roue plate, en anglais, on appelle ce type de système “engrenages à couronne”. Demandez-leur d’observer un des engrenages non utilisés et de suggérer une raison pour laquelle on appellerait cette roue “couronne”. Si nécessaire, démontrez-leur que les engrenages jaunes ont une série de dents à 90 degrés. En regardant de côté, ceci peut faire penser à une couronne.
LES ENGRENAGES Le mixeur 1. Révisez leurs acquisitions – un système d’engrenages à roue plate aide à accomplir un travail en changeant la direction d’un mouvement. C’est-à-dire que l’effort peut être appliqué dans la direction la plus facile et que le travail s’accomplira dans une direction différente. 2. Demandez-leur de comparer l’espace occupé par un système d’engrenages à roue plate et un système d’engrenages droits.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Vérification du Journal 4 4 4 4 4 4 4 Identification du mécanisme d’engrenages. Schéma du mixeur incluant les parties identifiées et les flèches de direction. Les observations de l’étudiant pour l’étape 3. Identification des mouvements des différentes parties mobiles. Identification du changement dans la direction du mouvement et de la force. La raison pour laquelle en anglais on appelle ce système “roue à couronne”.
La bicyclette stationnaire : LES ENGRENAGES La bicyclette stationnaire Un exemple d’un système de roue de chaîne Objectifs Les étudiants devront : 1. construire et étudier le mécanisme d’un modèle représentant un objet réel. 2. observer comment le mouvement et la force sont transmis d’un point à un autre en utilisant une chaîne et une roue à chaîne.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Discutez de la conception d’une bicyclette stationnaire basée sur le modèle d’une bicyclette normale. Si possible, présentez un exemple de bicyclette afin que les étudiants puissent l’étudier. Alternativement, demandez-leur d’observer les pages 12 et 13 du Livret d’Instructions pour interpréter comment le mécanisme du modèle fonctionne.
LES ENGRENAGES La bicyclette stationnaire (c) Demandez aux étudiants de dessiner un schéma de leur bicyclette. Encouragez-les à identifier les différentes parties de leur schéma. Les termes suivants pourraient les aider : roue de chaîne, chaîne, pédale, mécanisme d’entraînement, mailles, roue menante, roue menée, axe menant, axe mené. (d) Demandez aux étudiants de dessiner les flèches représentant la direction du mouvement pour chacune des parties mobiles du mécanisme.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Lorsque les étudiants ont terminé, demandez à quelques uns d’entre eux de partager leurs idées. Inscrivez les réponses au tableau. Revoyez les réponses. Demandez aux étudiants ce qu’ils pensent à propos d’autres machines qui transfèrent le mouvement sur une certaine distance. Ensemble, dressez une liste de machines fonctionnant grâce à la roue de chaîne. Vous pourriez les aider en montrant des photographies.
LES ENGRENAGES LES ENGRENAGES : Changement de direction, vitesse et force… Un engrenage est une roue munie de dents le long de sa circonférence externe. Les engrenages peuvent : changer la direction d’un mouvement. changer la vitesse à laquelle un objet bouge. changer la force nécessaire pour faire bouger un objet. www. k nexeduc at ion.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT LES ENGRENAGES : En mouvement… Roue menante Roue menée ROUE MENANTE : La roue sur laquelle l’effort est appliqué. ROUE MENÉE : Le roue reliée (qui s’emboîte) à la roue menante.
LES ENGRENAGES LES TRAINS D’ENGRENAGES : Changer la direction d’une rotation Roue intermédiaire Roue menante Roue menée Deux (ou plusieurs) engrenages reliés ensemble forment un train d’engrenages. Ces engrenages tournent dans des directions opposées. Une roue intermédiaire fait en sorte que les deux roues de chaque côté d’elle tournent dans la même direction. www. k nexeduc at ion.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT LES ENGRENAGES À ROUE PLATE : Changer les plans… Un engrenage à roue plate à angle droit (90 degrés) avec un autre engrenage change la direction du mouvement. Un engrenage tourne verticalement (de haut en bas) et l’autre tourne horizontalement (d’un côté à l’autre).
LES ENGRENAGES LES ENGRENAGES : Changer la vitesse et la force Grande roue menante (lent) Petite roue menée (rapide) ACCÉLÉRATION : une grande roue menante fait tourner une petite roue menée plus rapidement. La vitesse de rotation est augmentée, mais la force diminue. Petite roue menante (rapide) Grande roue menée (lent) DÉCÉLÉRATION : Une petite roue menante fait tourner une grande roue menée plus lentement. La vitesse de rotation est réduite, mais la force augmente. www. k nexeduc at ion.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT LES ENGRENAGES : Essayez ceci… Dans quelle direction les engrenages suivants tournent-ils ? 40 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Education® LES MACHINES SIMPLES
