® Education LE GUIDE DE L’ENSEIGNANT LES PONTS INTRODUCTION AUX STRUCTURES 78640
INTRODUCTION AUX STRUCTURES LES PONTS Guide de l’enseignant 96568-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 : INTRODUCTION AUX STRUCTURES Informations générales Ce Guide de l’enseignant a été développé pour vous aider pendant que vos étudiants explorent l’ensemble Introduction aux structures : les ponts de K’NEX Education.
2
Introduction aux structures : LES PONTS LES PONTS Information générale Objectifs Les étudiants devront : 1. étudier les différents types de ponts et démontrer leur compréhension du fonctionnement de ces structures. 2. décrire et comprendre les forces agissant sur une structure. 3. décrire comment les structures sont stabilisées et comment elles peuvent supporter une charge. 4. démontrer et décrire comment les structures peuvent s’effondrer sous une charge et étudier les techniques de renforcement. 5.
INTRODUCTION AUX STRUCTURES Caractéristiques d’un pont : Ancrage : Fondations ou blocs de béton dans lesquels les câbles de suspension d’un pont sont sécurisés. Barre de tension : Un support structural sous tension. Câble : Filins utilisés pour supporter le tablier d’un pont suspendu ou d’un pont à câbles.. Câble de suspension : Un câble supportant le tablier; il est suspendu verticalement à partir du câble principal.
LES PONTS Concepts-clé Ce qui suit présente un résumé de quelques concepts-clé associés aux ponts. Il s’agit d’une ressource pour l’enseignant. Ces concepts pourraient vous être utiles lors de la préparation de vos activités reliées à l’ensemble Introduction aux structures : les ponts de K’NEX Education. Qu’est-ce qu’un pont? C’est une structure qui facilite la traversée d’un obstacle. Les obstacles, par exemple les rivières, ont toujours été un problème dans la vie des voyageurs ou des marchands.
LES PONTS Les charges : Charge variable : Le poids du trafic circulant sur le pont. Cette charge crée une force vers le bas sur le pont. Cette force doit donc être répartie dans les fondations ou équilibrée par une force opposée. Fig. 6i Fig. 6ii Poids mort : C’est le poids de la structure du pont elle-même. Les ingénieurs tentent de minimiser ce poids le plus possible en concevant la structure la plus légère possible.
LES PONTS Matériaux Les ingénieurs doivent tenir compte des propriétés des matériaux qu’ils prévoient utiliser pour construire un pont. Les matériaux résistant bien à la compression : bois, béton armé, acier et quelques plastiques. Les matériaux résistant bien à la tension : corde, bois (coupé dans le sens du grain). Le béton armé est un choix judicieux pour plusieurs structures, dont les ponts.
LES PONTS Fig. 16i - Enroulez le papier autour d’un manche à balai. Fig. 16ii Fort : compression, tension Fig. 16iii - Faible : Pliage Enrouler une feuille de papier pour en faire un tube produit quelque chose d’assez résistant. Vous pouvez le prouver en comprimant le tube dans sa longueur. Essayez de lui faire supporter plusieurs charges pour voir ce qu’il peut soutenir avant de s’effondrer.
LES PONTS Les formes utilisées dans les structures. Trois formes de base sont normalement utilisées dans les structures : les rectangles, les triangles et les arches. Fig. 20-22 - Les formes utilisées dans les structures. Utilisez les pièces K’NEX pour reproduire ces formes. Comment ces formes réagissent-elles lorsqu’on y applique des forces? Rectangles : Lorsqu’une pression est appliquée au coin d’un rectangle, sa forme est modifiée. Le rectangle devient alors un parallélogramme. Fig.
LES PONTS Triangles Si une charge ou une force est appliquée sur l’un des côtés du triangle, ce côté pliera vers l’intérieur. Fig. 26 - Une force appliquée à un côté d’un triangle Cependant, si une charge ou une force est appliquée à l’un des angles, le triangle ne plie pas parce que les deux côtés sont comprimés et que la base est étirée. Les forces sont distribuées sur la structure entière et non seulement sur une partie.
LES PONTS Lorsqu’une charge est appliquée au sommet d’une arche, le sommet descend alors que les extrémités tendent à se déplacer chacune de leur côté. Fig. 29 - La force agissant sur une arche En supportant les côtés, on redresse l’arche et on crée une structure plus forte. Fig. 30 - Renforcer et redresser une arche Lorsqu’une charge est appliquée, les extrémités de l’arche tentent de bouger vers les côtés, mais les supports externes les retiennent pour arrêter le mouvement.
LES PONTS Différents types de ponts Il existe différents types de ponts, mais parce que chaque type présente des caractéristiques individuelles particulières, il existe aussi plusieurs différences dans les modèles. Le pont-poutres Il s’agit du type de pont le plus simple, fait d’une section droite – la poutre– reposant sur deux supports situés à chaque extrémité de la poutre. Construction et matériel : Le pont-poutres supporte son propre poids et la charge sur des piliers.
LES PONTS Fig. 36 - Ponts à poutres à treillis Malgré la force de la structure augmentée par l’ajout de poutres triangulées, les ponts à poutres à treillis ont une certaine limite quant à leur longueur maximale. Ponts plus longs Fig. 37a - Comment couvrir un large espace. Problème : Le pont plie au centre et il est faible. Fig. 37b - Solution : Le pousser vers le haut. Fig. 37c - Solution : Le tirer par le haut. Comme mentionné ci-haut, un long pont-poutres aura tendance à plier par le centre.
LES PONTS Construction et matériaux L’arche fonctionne grâce à de très grandes forces de compression qui maintiennent en place d’énormes blocs de roche. Ces forces maintiennent les blocs ensemble entre les extrémités (aboutements) du pont. La pierre centrale de l’arche se nomme la clé de voûte et toutes les autres pierres poussent contre la clé de voûte. La forme des pierres utilisées pour la construction d’une arche est cruciale.
LES PONTS Fig. 43 - Les forces agissant dans un pont cantilever Le pont Forth Railway traversant le large estuaire du Firth of Forth près d’Edimbourg en Écosse, est l’un des plus longs ponts cantilever du monde. Ce pont, construit en 1890, est fait d’acier et mesure environ 2,5 kilomètres. La portée centrale entre les deux cantilevers est seulement de 100 mètres de long. Fig. 44 Le pont Forth Railway, Queensferry sud, Écosse.
LES PONTS Fig. 46 - Les forces agissant sur un pont à câbles Construction et matériaux Les câbles, attachés à une haute tour, sont utilisés pour supporter le tablier du pont. Les câbles relient directement la tour au tablier. Tous les câbles subissent une très forte tension et la tour supporte le poids total de la structure et de la circulation. Les tours sont normalement construites en béton ou en acier, alors que la conception des câbles peut être variée. Fig.
LES PONTS Fig. 51 Pont Humber, Angleterre Fig. 50 - Les forces agissant sur un pont suspendu Les ponts les plus longs construits de nos jours sont des ponts suspendus. Présentement, le record est détenu par le pont Akashi reliant les îles japonaises de Shikoku et Honshu, il mesure 3, 911 mètres. Les ponts en mouvement Le pont à bascule Un pont à bascule s’ouvre afin de permettre le passage de bateaux.
18
Introduction aux ponts : LES PONTS Activités préparatoires Objectifs Les étudiants devront : 1. identifier les forces agissant sur les structures. 2. démontrer les différentes réactions des matériaux en réponse aux forces agissant sur eux. 3. explorer les réactions de différentes formes de structures en réponse aux forces agissant sur elles.
LES PONTS Activités de découverte NOTE pour l’enseignant : L’information et les activités proposées pour les concepts de FORCES, MATÉRIAUX et FORMES se trouvent dans la section Concepts-clé des pages 5 à 17 de ce Guide. Une activité axée sur les CHARGES d’un pont se trouve dans la section intitulée “Les ponts sont-ils tous les mêmes?” aux pages 25 à 28 de ce Guide. Le site www.pbs.
Introduction aux ponts LES PONTS À quoi servent les ponts? Objectifs Les étudiants devront : 1. trouver une définition d’un pont. 2. étudier les ponts de leur région. 3. concevoir et construire un modèle de pont. Matériaux Chaque équipe de 2 ou 3 étudiants aura besoin de : Vous aurez besoin de : - 1 ensemble K’NEX Education Introduction aux Structures : les Ponts, ainsi que le Livret d’Instructions - Sites internet de références : - Un exemple de bleu de plan d’architecte (facultatif) www.freefoto.
LES PONTS 3 obstacles empêchant quelqu’un de continuer sa route. Comment peut-on traverser ces obstacles sans utiliser un pont? Rivière, vallée, ravin, estuaire, route ou autoroute, étendue d’eau entre des îles… Traverser à gué dans une rivière, utiliser des rochers, tenter de contourner en trouvant un endroit où traverser… Demandez aux étudiants d’observer les photographies de ponts du Livret d’Instructions et des obstacles qu’ils surmontent. Demandez-leur d’observer les différences entre ces ponts.
LES PONTS Expliquez aux étudiants qu’ils utiliseront le matériel K’NEX pour fabriquer un pont. Discutez de la méthode qu’utilisent les ingénieurs, une fois la conception terminée, pour observer, étudier et tester leur pont (miniature du modèle). À partir de ces modèles, les instructions de construction spécifiques, les bleus, sont imprimés. Les constructeurs suivent ces instructions pour construire le vrai pont. Si vous pouvez vous procurer un bleu, étudiez en classe les informations qui s’y retrouvent.
LES PONTS Les étudiants doivent maintenant démontrer que leur modèle réussit l’épreuve de la chaussure. Demandez aux étudiants d’inscrire une définition du pont dans leur Journal en utilisant les termes “structure” et “obstacle”. PONT :______________________________________________________________________________________________ Demandez aux étudiants d’inscrire dans leur Journal : 5 utilisateurs de pont. 5 obstacles franchis par des ponts.
Les ponts sont-ils tous les mêmes? LES PONTS Comment les ponts supportent-ils leur charge? Objectifs Les étudiants devront : 1. revoir les forces agissant sur les structures. 2. faire la différence entre trois types de ponts. 3. étudier comment un pont supporte sa charge.
LES PONTS NOTE : Demandez aux étudiants de porter les lunettes de sécurité lorsqu’ils testent leurs modèles. Étapes 1. 2. Demandez aux étudiants d’examiner la façon dont leur pont est supporté et de décider s’il s’agit d’un pontpoutres, d’un pont à arches ou d’un pont suspendu. La plupart auront construit un pont-poutres. Demandez-leur de placer une charge sur le pont (chaussure, livre, poids…) et d’observer ce qui se produit aux diverses parties du pont.
LES PONTS (Pour des étudiants des années supérieures) Charge environnementale : les effets des vents forts, de la glace, de la neige ou des tremblements de terre. Charge périodique : L’impact soudain créé par certains usagers du pont lorsqu’ils le traversent (par exemple : train de marchandise ou camions lourds). (c) Demandez aux étudiants d’observer la liste au tableau et d’organiser les charges en catégories. Les observations doivent être notées dans leur Journal. 5.
LES PONTS Mise en application (activité d’évaluation) Les étudiants devraient inclure une brève description des types de charges supportées par un pont en complétant les points suivants : CHARGE VARIABLE :___________________________________________________________________ POIDS MORT :_________________________________________________________________________ (Pour les niveaux plus avancés) CHARGE ENVIRONNEMENTALE :________________________________________________________ CHARGE PÉRIODIQUE :___________________
LES PONTS Le pont-poutres : La poutre Classification des composantes et façons de renforcer le pont-poutres Objectifs Les étudiants devront : 1. identifier les caractéristiques de base d’un pont-poutres. 2. comprendre et utiliser le vocabulaire associé au pont-poutres. 3. explorer les avantages, désavantages et les meilleures applications d’un pont-poutres. 4. construire des modèles de pont-poutres en utilisant le matériel K’NEX.
LES PONTS Rappelez-leur le terme pilier, utilisé par les constructeurs pour désigner les supports verticaux d’un pont. Demandez aux étudiants d’utiliser leurs propres mots pour identifier les autres parties du pont et ensuite, introduisez les termes suivants. Poutre : la charpente horizontale reposant sur les piliers. Tablier Poutre Portée : la distance entre les piliers. Tablier : la surface du pont servant à la circulation. tée Por Rampe : la section inclinée qui relie la rive au tablier.
LES PONTS 3. Discutez les résultats obtenus par les équipes. Les étudiants devraient avoir découvert que plus la portée dans le pont-poutres augmente, plus il s’affaiblit. La poutre aura tendance à plier sous son propre poids et peut même briser sans aucune charge additionnelle. Dans le cas du pont K’NEX, le bris se fera au niveau des joints (connecteurs). La poutre Une observation judicieuse de la façon dont la poutre s’effondre montre que les joints se séparent dans le bas.
LES PONTS 2. Ils devraient maintenant appuyer sur la plaque centrale et observer l’effet sur les tiges vertes et sur les piliers. Cette fois, ils devraient observer que la pression fait bouger les tiges et les connecteurs, ils plient légèrement, alors que les piliers s’écartent légèrement l’un de l’autre. Ils peuvent mesurer la distance de déplacement des piliers en traçant une autre marque. 3.
LES PONTS La poutre Mise en application (activités d’évaluation) Discutez des résultats de chacune des équipes concernant l’application d’une pression sur deux points des ponts et l’ajout de poids.
LES PONTS Pour aller plus loin 1. Demandez aux étudiants de réfléchir à ceci : : “Si vous deviez concevoir un pont pour traverser une rivière, vous voudriez sûrement qu’il ait le moins de piliers possibles. Inscrivez les raisons de votre décision.” Les réponses doivent être inscrites dans leur Journal. 2. Demandez aux étudiants de trouver des photographies de ponts-poutres ou de penser à des ponts locaux. Ils doivent comparer les piliers, les poutres et les portées de ces exemples.
Le pont en poutre à treillis : LES PONTS Poutre à treillis Expérimenter la force de la structure d’un pont en poutre à treillis Objectifs Les étudiants devront : 1. identifier quelles structures peuvent s’effondrer et explorer les méthodes utilisées pour les renforcer. 2. comprendre la nécessité d’un concept expérimental bien testé. 3. concevoir et effectuer une expérience. 4. évaluer la force d’un pont en poutre à treillis à travers l’expérimentation. 5.
LES PONTS Demandez à la classe quels autres types de structures sont solides et rigides – quelles formes sont utilisées dans ces structures? Si nécessaire, rappelez aux étudiants qu’une structure rectangulaire peut être renforcée en ajoutant une diagonale. Les étudiants doivent pouvoir explorer ce concept si les activités préparatoires n’ont pas été réalisées.
LES PONTS Poutre à treillis Vous pourriez profiter de cette opportunité pour introduire le terme stabilité dans sa relation aux ponts : la stabilité est la capacité de résister aux déformations ou aux effondrements lorsqu’une force ou une charge est appliquée. Voir la section Concepts-clés pour plus d’informations. Expliquez aux étudiants qu’ils construiront un certain nombre de versions d’un pont en poutre à treillis et qu’ils étudieront la force de ce système.
LES PONTS Activité de découverte II : Le pont est-il renforcé par l’ajout d’une structure de poutre triangulée? Étapes NOTE : Demandez aux étudiants de porter les lunettes de sécurité. 1. Les étudiants devraient tester encore une fois leur modèle grâce à la méthode utilisée précédemment. 2. Lorsque tous les résultats ont été inscrits, demandez-leur de se placer en équipes de 4 à 6 étudiants et de construire les deux variantes du pont à poutre en treillis Warren : le Howe et le Baltimore.
LES PONTS Poutre à treillis Mise en application (activité d’évaluation) Révisez les acquisitions suivantes : Quelle est le nom de la charpente de triangles ajoutée au pont-poutres? En ajoutant une charpente de triangles, quel est l’effet sur la hauteur de la poutre? Pourquoi les ingénieurs ajoutent-ils des triangles pour ces structures? Poutre triangulée. Elle a augmentée. La forme du triangle est reconnue pour sa force et empêchera la poutre de plier et de se tordre.
LES PONTS Pour aller plus loin Les étudiants devraient identifier que les deux sont des pontspoutres et sont à la base construits de la même façon. Cependant, le pont en poutre à treillis est renforcé par une charpente de poutres triangulées. Ils doivent aussi comparer les matériaux dont chacun des ponts peut être construit. 1. Demandez aux étudiants de noter les ressemblances entre le pontpoutres et le pont en poutre à treillis. En quoi sont-ils différents? 2.
LES PONTS Le pont cantilever : Cantilever Un acte d’équilibre : identifier les caractéristiques distinctives des ponts cantilever Objectifs Les étudiants devront : 1. démontrer et expliquer le concept du cantilever. 2. observer et décrire les forces agissant sur une structure simple de pilier et de portée. 3. reconnaître et comprendre le relation spatiale entre les parties d’un pont cantilever. 4. identifier et décrire l’application du concept de cantilever dans d’autres structures.
LES PONTS Qu’est-ce qu’un cantilever? Aidez les étudiants à comprendre que le pont cantilever est une autre variation d’un pont en poutre à treillis. Expliquez que, contrairement au pont en poutre à treillis ou au pont-poutres, le cantilever ne nécessite pas deux piliers pour le supporter, mais un seul. Les ponts construits de cette façon, sont faits de plusieurs cantilever et comprennent souvent un tablier additionnel supporté par les structures en cantilever.
Cantilever Activité de construction I : Distribuez un ensemble Introduction aux structures : les ponts de K’NEX Education à chacune des équipes. Demandez aux étudiants de construire l’étape 1 (seulement) du modèle Cantilever de K’NEX Education à la page 6 du Livret d’Instructions. Deux étudiants devraient construire chacun une moitié du tablier.
LES PONTS Activité de construction II : Demandez aux étudiants de compléter les étapes 2 à 6 dans le Livret d’Instructions et d’observer comment leur modèle de pont cantilever fonctionne. Activité de découverte I : Quelles sont les parties distinctives d’un pont cantilever et quelles sont leurs fonctions? Étapes 1. Demandez aux étudiants de déterminer quelles parties de ce pont sont similaires aux autres ponts étudiés auparavant.
LES PONTS Cantilever (b) Montrez un modèle K’NEX du pont cantilever et relier les parties de ce pont aux étudiants de la démonstration. Expliquez que les deux étudiants représentent deux structures de cantilever : leurs corps sont les tours, leurs bras représentent la partie supérieure du cantilever et les mètres sont les poutres triangulées. Les piles de livres, de chaque côté, représentent les contrepoids ou les ancrages, requis pour équilibrer la structure du cantilever.
LES PONTS (b) Quelles parties du pont sont sous tension? 7. 8. Encouragez les étudiants à examiner leur modèle de pont et d’en trouver le contre. Les deux côtés du pont sont-ils un miroir l’un de l’autre? Quel est le mot utilisé pour décrire cette situation? Demandez à chaque groupe de considérer si le pont cantilever est une structure stable ou instable. Ils devraient se préparer à justifier leurs réponses. Les traverses au-dessus du tablier sont sous tension lorsque la charge presse vers le bas.
LES PONTS Pourquoi les deux côtés du pont sontils identiques? Cantilever Un modèle symétrique aide à garder les forces en action équilibrées. Il est également beaucoup plus agréable visuellement d’avoir une structure symétrique. L’étudiant doit toujours faire un schéma de son modèle, identifier les parties et ajouter des notes à propos des fonctions. (Approprié pour les étudiants de niveau supérieur.) Demandez aux étudiants de décrire la démonstration de Baker reproduite en classe.
48
LES PONTS Le pont à bascule : Bascule Un pont en mouvement Objectifs Les étudiants devront : 1. construire un modèle d’un pont mobile et démontrer son fonctionnement. 2. identifier les limites d’un pont à bascule. 3. expliquer l’opération d’un système de pont à bascule. 4. comprendre et utiliser le vocabulaire associé aux systèmes de pont à bascule.
LES PONTS Comment ce problème peut-il se régler? Les réponses varieront. Acceptez et inscrivez les solutions au tableau. Lorsque les solutions semblent épuisées, discutez-les avec le groupe. Par exemple, construire un pont plus haut peut permettre aux navires très hauts de passer, mais la construction d’un pont haut n’est pas toujours pratique, surtout lorsqu’il traverse un cours d’eau étroit. Si les étudiants ont suggéré un pont mobile, demandez-leur comment un pont peut bouger à l’approche d’un navire.
LES PONTS Bascule Activité de découverte I : Comment un pont à bascule se soulève et s’abaisse? Étapes 1. Demandez aux étudiants de décrire la principale différence entre ce modèle de pont et les autres étudiés précédemment. 2. En quoi est-il semblable aux autres modèles? S’ils ne trouvent pas de réponse, dites-leur de penser au type de support. 3. Demandez à quelques volontaires de décrire comment leur modèle du pont à bascule K’NEX fonctionne.
LES PONTS (a) Quelles sont les points faibles et les point forts du pont? (b) Dans un vrai pont à bascule, comme celui de la Tour de Londres, comment les ingénieurs ont-ils résolu les problèmes des points faibles identifiés? Pensez aux autres types de ponts étudiés et aux méthodes utilisées pour les renforcer.
LES PONTS 2. Demandez aux étudiants de séparer les deux moitiés du pont et de prendre deux plaques noires de l’une des moitiés pour allonger la deuxième moitié. En utilisant la même méthode qu’à l’étape 5, mesurez la force requise pour soulever la plus longue portée. Les mesures doivent être inscrites dans le Journal et comparée aux mesures de la première expérience. Bascule NOTE : Un étudiant devra peut-être maintenir la base de la partie allongée pendant que les mesures sont prises.
LES PONTS 2. Défi de conception 2 : Comment fonctionnaient les ponts-levis? Concevez et construisez un pont-levis de château en utilisant un ensemble K’NEX Education et d’autres matériaux, là où nécessaire, pour compléter un modèle fonctionnel. Les étudiants devraient dessiner le plan de leur pont-levis avant de commencer la construction. Chaque équipe devra tester et démontrer leur pont-levis à la classe. Ils devront : Partager les problèmes rencontrés et expliquer les solutions pour les résoudre.
LES PONTS Le pont à arches : Arche Identifier les caractéristiques d’un pont à arche simple Objectifs Les étudiants devront : 1. identifier et expliquer la fonction des parties d’un pont à arche. 2. construire et expérimenter les modèles de ponts à arches pour comparer leur force respective. 3. comprendre les termes et le vocabulaire associé aux ponts à arche. 4. comprendre le transfert de force à travers la structure du pont à arche.
LES PONTS Quelle est la force d’une arche? Démontrez, en utilisant un tige verte flexible de K’NEX, comment la forme de l’arche est produite et comment elle peut être utilisée pour stabiliser une structure. (Pour plus d’information sur les arches consultez la section Concepts-clés ou visitez le site www.pbs.org/wgbh/buildingbig/bridge/) Divisez la classe en équipes de 4 étudiants (de tailles et de poids semblables) et expliquez qu’ils tenteront de faire une arche humaine.
LES PONTS Arche Expliquez que cette forme permet à l’arche de se maintenir elle-même. Le coin permet que chaque pierre soit prise entre ses deux voisines et prévient qu’elle ne tombe. Dessinez au tableau la forme de coin des pierres de l’arche. Demandez aux étudiants si des pierres rectangulaires pourraient être utilisées. Pourquoi? Les pierres rectangulaires pourraient glisser et faire s’effondrer le pont.
LES PONTS Conseil pour la construction Lorsque l’étape 1 est terminée, nous recommandons que les étudiants travaillent de la gauche vers la droite, en reliant les anneaux du haut et du bas de l’arche avec des tiges bleues. Cette manière de procéder sera plus facile que de construire la partie supérieure en premier, puis la partie inférieure et de tenter de tout relier ensuite. Activité de découverte I : Une arche est-elle stable lorsqu’elle se tient par elle-même? Étapes : 1.
LES PONTS Arche Étapes 1. Demandez à la classe d’identifier les parties du pont à arche. Dessinez un schéma au tableau et invitez des volontaires à inscrire les termes dont ils se souviennent des discussions précédentes. Vous pouvez accepter les termes et corriger dans la prochaine discussion. Les caractéristiques suivantes peuvent être identifiées : clé de voûte, aboutements, tablier, formes de coin 2.
LES PONTS Mise en application (Activités d’évaluation) Demandez aux étudiants de dessiner un schéma clair d’un pont à arche dans leur Journal et d’en décrire les parties et les fonctions. Discutez de leurs découvertes à propos de la force des trois différents modèles de ponts à arche. Aidez les étudiants à comprendre les différences observées entre les modèles. Demandez-leur d’écrire un court paragraphe décrivant leurs observations.
LES PONTS Le pont à suspension : Suspension Découvrir les caractéristiques d’un pont à suspension Objectifs Les étudiants devront : 1. construire un pont à suspension. 2. identifier et décrire la fonction des parties du pont à suspension. 3. démontrer et expliquer comment les forces s’équilibrent dans le pont à suspension.
LES PONTS Demandez aux étudiants de remarquer la réaction des cordes lorsque les trombones et le tablier y sont suspendus. La structure aura glissé jusqu’au sol. Quel geste doit-on poser maintenant pour élever et rendre le pont sécuritaire? Attacher les extrémités des cordes. Une fois le pont bien ancré, prenez-le en exemple avec la photographie du vrai pont afin de présenter les parties du pont suspendu.
LES PONTS Demandez à quel endroit les ancrages devraient être situés. Suspension Sur les rives. Demandez à deux étudiants, qui joueront le rôle des ancrages, de s’asseoir sur le plancher à deux endroits qui pourraient représenter les rives de la rivière. Donnez les extrémités de la corde à ces deux étudiants. Expliquez que les poids seront ajoutés dans le seau et que le but est de garder le seau à la même hauteur au-dessus du niveau de la « rivière ».
LES PONTS Montrez d’autres photographies de ponts suspendus à votre classe. Utilisez la photographie du Golden Gate dans le Livret d’Instructions K’NEX (page 12) ou permettez-leur de consulter internet pour : identifier les composantes principales des ponts suspendus. rechercher les endroits où sont construits des ponts suspendus. rechercher les différents usages des ponts suspendus et comparer leurs longueurs à celles d’autres types de ponts étudiés auparavant.
LES PONTS Quelles sont les parties les plus faibles du pont? Comment expliquez-vous vos observations? 3. Suspension Les étudiants répondront probablement que la structure entière est faible : le tablier plie au centre et balance d’une extrémité à l’autre; les tours bougent et plient vers le centre. Structures de support insuffisantes. Cette structure est-elle stable ou instable de la façon dont elle est construite présentement? La plupart répondront qu’elle est très instable.
LES PONTS 3. Demandez aux étudiants de garder ces différences en mémoire et de refaire le test sur le pont en utilisant exactement la même méthode. Ils doivent ensuite répondre aux questions et utiliser le tableau de données pour inscrire leurs observations concernant la charge : (a) La capacité de support de la charge a-t-elle augmenté, est-elle stable ou a-t-elle diminué? (b) Pouvez-vous expliquer votre réponse? Les étudiants devraient dire qu’elle a augmenté.
LES PONTS 7. Révisez les résultats en posant les questions suivantes : (a) Quelle est la fonction des tours? (b) Quelle est la fonction des câbles principaux? (c) Pourquoi ces câbles doivent-ils être ancrés à leur extrémité? Suspension Les tours supportent le poids total du pont. Les câbles principaux supportent le poids du tablier. Ce poids fait fléchir les câbles de suspension (ils deviennent sous tension).
LES PONTS Mise en application (activités d’évaluation) Discutez les acquisitions des étudiants à propos des ponts suspendus. Demandez aux étudiants de faire une liste des fonctions de chacune des parties du pont suspendu et de les décrire brièvement. Encouragez vos étudiants à écrire à propos des principales différences entre le modèle et le véritable pont suspendu. Demandez aux étudiants d’expliquer pourquoi l’ajout de câbles affecte la force et la stabilité de la structure d’un pont suspendu.
LES PONTS Suspension 3. Attacher l’extrémité d’une des cordes à un arbre et l’autre à une flèche pour lancer la corde de l’autre côté. 4. Descendre la colline, nager de l’autre côté, trouver la flèche et attacher la corde à un autre arbre. 5. Traverser en se suspendant à la corde pour faire traverser d’autres cordes. 6. Attacher les cordes ensemble pour former une travée et des mains-courantes. 3.
70
LES PONTS Le pont à câbles : Pont à câbles Reconnaître les caractéristiques d’un pont à câbles Objectifs Les étudiants devront : 1. construire et étudier un modèle de pont à câbles. 2. comparer les modèles de pont à câbles et de pont suspendu. 3. utiliser et expliquer le vocabulaire associé au pont à câbles.
LES PONTS Expliquez aux étudiants qu’une autre différence entre les deux modèles se situe au niveau de la construction du tablier. Le tablier d’un pont suspendu est installé seulement lorsque les câbles principaux ont été déposés sur les tours et que les câbles de suspension y ont été accrochés.
LES PONTS 4. (a) À quoi les extrémités des câbles sont attachées? (b) En quoi cela est-il différent du pont à suspension? 5. Examiner la forme des câbles dans votre modèle et sur les photographies. Quelle forme pouvez-vous identifier dans leur structure? Que savez-vous à propos de cette forme? Rayonnant Pont à câbles À la tour et au tablier. Les câbles du pont à suspension doivent être ancrés dans des structures de béton qui s’enfoncent dans le sol.
LES PONTS Les forces agissant sur un pont à câbles. 8. Référez-vous aux expériences précédentes sur la force et la stabilité des structures de ponts et discutez de problèmes pouvant avoir été rencontrés par les ingénieurs lors de la conception d’un pont à câbles.
LES PONTS Pont à câbles Pour aller plus loin (options d’évaluation) 1. Demandez aux étudiants de construire le modèle de ponts à câbles à deux tours illustré à la page 15 du Livret d’Instructions. Ils devraient ensuite chercher un exemple concret de ce type de construction. Ensuite, ils pourront préparer un rapport sur ce pont et expliquer à quel endroit il est construit et comment il est utilisé.
76
LES PONTS Concevoir un pont : Les facteurs du temps et de l’argent Objectifs Les étudiants devront : 1. concevoir et construire un modèle de pont pour répondre à une série de critères. 2. calculer les coûts des matériaux nécessaires pour ce pont. 3. compétitioner avec les autres équipes pour réaliser toutes les spécifications au moindre coût et selon un temps préalablement alloué.
LES PONTS Les matériaux seront achetés à l’enseignant selon les prix suivants : Feuille de papier : 5 $ Ruban adhésif : 1$ pour 10 cm Trombones : 0,50 $ chacun Pailles : 1 $ chacune Cure-pipes : 2$ chacun Corde : 1$ pour 10 cm Les équipes qui auront le mieux planifié leur modèle n’auront pas de surplus à la fin de l’activité. Ceux qui auront du matériel supplémentaire pourront le revendre à l’enseignant à la moitié du prix d’achat.
LES PONTS Mise en application (Occasions d’évaluation) Suite à la compétition, demandez aux étudiants de : décrire les problèmes rencontrés et les moyens utilisés pour le surmonter. décrire comment ils pourraient améliorer leur modèle – quels sont les points faibles et comment les améliorer. expliquer comment ils auraient pu construire leur pont plus résistant mais avec moins de matériaux.
LES PONTS Feuille d’activités 1 Les ponts-poutres Inscrivez de courtes phrases pour décrire chacune des parties d’un pont-poutres et sa fonction. 1. PILIERS________________________________________ _________________________________________________ 2. POUTRE________________________________________ _________________________________________________ 3. PORTÉE________________________________________ _________________________________________________ 4.
LES PONTS Réponses : Feuille d’activités 1 : LES PONTS-POUTRES PILIERS : Supports verticaux soutenant le pont-poutres POUTRE : Charpente horizontale reposant sur les piliers. PORTÉE : Distance entre les piliers. TABLIER : Fondation sur laquelle la chaussée ou le trottoir sont construits sur la poutre. RAMPE : Section inclinée reliant la poutre à la terre. MAIN COURANTE : Barrière protectrice le long du tablier empêchant ce qui circule sur le pont de tomber en bas.
LES PONTS Feuille d’activités 2 : Les poutes triangulées enchevêtrées Associez les dessins de différents ponts en poutre à treillis à leur nom. Reliez-les grâce à un trait. BALTIMORE (poutre de Pratt) WARREN PENNSYLVANIE (poutre de Pratt) TREILLIS POUTRE DE PRATT TYPE WHIPPLE www. k nexeduc at ion.
LES PONTS Réponses : Feuille d’activités 2 : Les poutres triangulées enchevêtrées BALTIMORE (poutre de Pratt) WARREN PENNSYLVANIE (poutre de Pratt) TREILLIS POUTRE DE PRATT TYPE WHIPPLE Education® INTRODUCTION AUX STRUCTURES
LES PONTS Feuille d’activités 3 Le pont à arche Pouvez-vous compléter les phrases suivantes associées au pont à arche en utilisant les mots de l’encadré? Lorsque vous aurez complété les espaces pour toutes les phrases, utilisez les lettres en caractère gras et en les replaçant en ordre pour former la réponse à la question suivante : À quoi servaient les arches avant la construction de pont? — — — — — — — — — — 1.
LES PONTS Réponses : FEUILLE D’ACTIVITÉS 3 : LE PONT À ARCHE 1. aboutements 4. compression 2. pierre, béton, acier 5. Romains 3. aqueducs 6. clé de voûte Les arches étaient utilisées pour la décoration.
LES PONTS Feuille d’activités 4 L’exclusivité à propos des ponts suspendus Voici quelques énoncés à propos des ponts de suspendus. Déterminez s’ils sont vrai ou faux. Si un énoncé est faux, transformez-le pour qu’il devienne vrai. _______1. Tous les ponts suspendus ont trois choses en commun : deux grandes tours, de forts ancrages, des câbles fabriqués de plusieurs filins. _______2. Le tablier est suspendu aux câbles. _______3.
LES PONTS Réponses : FEUILLE D’ACTIVITÉS 4 : L’exclusivité à propos des ponts suspendus. 1. Vrai 2. Vrai 3. Vrai 4. Faux : Plus un pont suspendu est long, plus les tours doivent être hautes. 5. Faux : Le pire ennemi d’un pont suspendu est le vent qui le fait balancer et se tordre. 6. Vrai 7. Faux : Les câbles d’un pont suspendu sont sous tension. 8. Faux : L’une des dernières étapes de la construction d’un pont suspendu est de suspendre le tablier.
LES PONTS Feuille d’activités 5 Les ponts à câbles Les énoncés suivants représentent des caractéristiques de ponts. Faites un crochet à côté des énoncés correspondant au pont à câbles. _______ Les câbles sont attachés de la tour au tablier. _______ Ce type de pont peut facilement avoir une portée de moins de 1000 mètres. _______ Une tour supporte une section équilibrée du tablier. _______ Les ancrages ne sont pas nécessaires à l’extrémité des câbles.
LES PONTS Réponses : FEUILLE D’ACTIVITÉS 5 : Les ponts à câbles Les principes suivants s’appliquent au pont à câbles. 4 Les câbles sont attachés de la tour au tablier. 4 Ce type de pont peut facilement avoir une portée de moins de 1000 mètres. 4 Une tour supporte une section équilibrée du tablier. 4 Les ancrages ne sont pas nécessaires à l’extrémité des câbles. 4 La tension est la force agissant sur les câbles.
LES PONTS Feuille d’activités 6 NOMMEZ CE PONT Les énoncés suivants sont associés à différents types de ponts. Associez chaque énoncé avec le bon type de pont. Vous pouvez utiliser les noms plusieurs fois. ARCHE POUTRE CANTILEVER POUTRE À TREILLIS SUSPENDU À CÂBLES BASCULE 1. Parce que les ponts comme moi sont longs, légers et très hauts, notre pire ennemi est le vent. _____________________________________________ 2.
LES PONTS Réponses : FEUILLE D’ACTIVITÉS 6 : NOMMEZ CE PONT 1. suspendu 2. arche 3. à câbles 4. bascule 5. poutre 6. poutre en treillis 7. cantilever 8. à câbles 9 suspendu 10.
