TECH N 4 FICHE N 8 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D UN ASPIRATEUR, D UN SECHE CHEVEUX Physique: l air, l aspiration, la filtration

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1 TECH N 4 FICHE N 8 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D UN ASPIRATEUR, D UN SECHE CHEVEUX Physique: l air, l aspiration, la filtration Départ: il s agit d une situation problème: des miettes et de la poussière sont renversées sur une table; il faut les enlever sans les faire tomber par terre. Objectifs: aspiration, principe de fonctionnement de l aspirateur. EXPERIENCES de départ: Toutes les expériences partent de solutions qui ont été proposées: a) on souffle sur la table ==> contrainte non respectée; les miettes tombent à terre b) avec un balai et une pelle ==> problème du stockage à voir c) (une seringue est sur la table) on aspire avec la seringue; l expérience est réalisée, bon fonctionnement mais course limitée du piston, d où problème pour ramasser une grande quantité de poussière d) on aspire avec un aspirateur; question: comment fonctionne l aspirateur? «Il y a de l air qui rentre et de l air qui sort après» MISE EN PLACE DU PRINCIPE: Un ventilateur provenant d un micro-ordinateur est branché sur le secteur. Observations: des élèves: il y a du vent! Caractériser le sens du vent: deux moyens le premier avec un bandelette de papier fin qui se plaque d un côté du moteur et qui se place en position oblique de l autre côté le second avec une baguette d encens allumé, la fumée passe au travers du moteur. Deuxième expérience: le côté d où vient le vent est obturé au niveau du ventilateur; de l autre côté, la bandelette ne bouge pas. Le côté où va le souffle d air est obturé par une membrane de papier micro-onde; lorsque le ventilateur est en marche la membrane se gonfle et a tendance à vouloir se détacher des parois du ventilateur. En physique, on parlerait d aspiration et de compression en météorologie, on parlera de dépression et de sur pression. PREMIER PRINCIPE: L ASPIRATION: EXPERIENCE: Une bouteille plastique coupée en deux parties, entre lesquelles est positionné le ventilateur. l air et les poussières sont aspirés dans l espace bouteille et sont expulsés par l arrière de la bouteille. Problème: comment faire pour récupérer les poussières? Spontanément les élèves répondent qu il faut un sac. Mais où le placer? Devant le moteur: peu de réponses positives.

2 Des expériences sont mises en place avec des sacs de différentes matières: coton, laine, plastique, papier ordinaire, papier filtre Pour que l air passe, il faut que la sac soit perméable à l air, donc choix de tissus ou de papier filtre. La place du sac importe guère dans ces conditions, mais il faut alors faire remarquer que si les poussières passent dans le moteur, celui ci se salit très vite et risque de s abîmer (problème de surchauffe); il est donc préférable de la mettre devant le moteur. Avec la même baguette d encens, on constate que les fumées passent au travers du sac, on va donc protéger le moteur en mettant un filtre. De même, on constate, s il y a un rayon de soleil que des poussières s échappent encore de la bouteille donc filtre en sortie. Schéma de principe de l aspirateur les différentes fonctions sont ainsi représentées à l exception de: fonction porter l objet: sur roulettes ou avec un manche fonction démonter l objet pour vider le sac. Ces deux fonctions sont vues sur l appareil grandeur nature. Dernière étape: démontage d un aspirateur pour retrouver les fonctions décrites précédemment. Cette partie ne pose aucun problème aux élèves qui comprennent - et leurs parents le soir même - que les filtres moteur et sortie doivent eux aussi être changés périodiquement. Seul élément non vu car trop complexe : pourquoi existe-t-il une ouverture au-dessus du moteur; je n ai pu expliquer pourquoi le moteur chauffe, mais je leur ai fait constater, d où, pour que le moteur ne chauffe pas trop, il faut «l aérer».en physique: dissipation de la chaleur et échanges thermiques. APPAREILS DERIVES: LE SECHE-CHEVEUX ou LE SECHE MAIN. Le principe de l aspirateur est d aspirer de l air; celui du sèche cheveux est de souffler de l air; le principe de fonctionnement est donc très voisin; il suffit alors d utiliser le tuyau de l aspirateur en sortie et non en entrée d air. Si l on désire de l air chaud, il faut installer une résistance de chauffage (comme dans les fers à repasser). Schéma de fonctionnement: deux circuits distincts: un pour l alimentation du bloc moteur avec un rhéostat pour avoir un plus ou moins débit d air pulsé un pour l alimentation des résistances avec un rhéostat pour réguler la température de sortie de l air. Le sèche mains fonctionne sur le même principe mais le débit d air et la température sont préréglés.

3 Actuellement peu d appareils sont démontables, ce qui limite la vision montage/démontage/transferts sur les appareils du commerce.

4 FICHE N 9 CREATION D UN OBJET FLOTTANT (BATEAU) ou ROULANT (AUTOMOBILE) Physique: mouvement, énergie, pression d Archimède, flottabilité, centre de gravité, l air Mathématiques: mesures Idée de départ: construire un bateau autonome (qui se déplace seul sur l eau) Attention, travail durant un trimestre; les différents phases sont expliquées dans un ordre logique de progression; il peut exister dans la réalité des phases qui seront occultées. PHASE 1: Objets flottants le premier travail consiste à classer divers objets selon le critère de flottabilité objets choisis: planche de bois, parallélépipèdes creux en bois, en métal, en plastique, etc. Les poser librement sur une bassine d eau et observer en exerçant une pression avec le doigt qu ils ne s enfoncent pas, qu ils remontent en surface ou au contraire qu ils coulent si les objets se remplissent d eau. Deuxième étape: prendre des objets de même taille (30cm sur 10cm) planche de bois, pavés creux en différentes matières et poser dessus des masses marquées. Deux observations: - si les masses se trouvent à l avant, à l arrière de l objet, au milieu ou dispersés, le support réagit de diverses manières: notion de répartition des charges et centre de gravité trouvé de manière empirique. - pour une même masse, certains objets couleront, d autres continueront à flotter: notion de la poussée d Archimède. Synthèses de la phase 1: choix d objets pouvant flotter avec la plus grande charge possible; notion d équilibre et de répartition de la charge afin d assurer la stabilité de l objet flottant. PHASE 2: notion de propulsion. Question posée: comment faire avancer un objet flottant? - en soufflant dessus - en mettant une voile et en soufflant sur la voile - avec un ballon (expérience 1) - avec de l eau (expérience 2) - avec un moteur et une hélice.

5 Mise en forme des expériences: Expérience 1: avec un ballon de baudruche gonflé: le ballon par dans tous les sens, d où une contrainte lui est imposée: le gonfler à l intérieur d un «guide»: une bouteille dont le fond a été enlevé; une paille et un support pour diriger le flux d air Expérience 2: une bouteille à fond coupé terminée par une paille courbée; la paille traverse le support. L eau contenue dans la bouteille s échappe par la paille. Explications: il s agit ici d un phénomène de réaction: l air qui s échappe de la baudruche crée une surpression; pour trouver un état d équilibre, il existe une réaction du support qui avancera jusqu à ce que la surpression crée par l air qui s échappe et la pression de l air ambiant s équilibrent (de fait lorsque l air sera évacué du ballon). Pour l eau contenue dans la bouteille; elle descend par gravitation, l eau s échappant crée un courant qui s oppose à l eau de la bassine; donc le support avance jusqu à ce que l équilibre soit réalisé entre l eau de la bouteille et l eau de la bassine. Synthèse: Les quatre premiers éléments ont été essayés et posent tous le problème de l autonomie de la propulsion. PHASE 3 : la propulsion avec un moteur (hors de l eau) retour sur la documentation: un bateau peut se déplacer au moyen d une hélice ou de roues à aubes (cf le Pédalo) présentation d un moteur électrique: notion de circuit électrique, prévoir l alimentation par une ou des piles Création de roues à aube ou d hélices. L hélice:

6 fabrication dans un morceau de métal peu épais pouvant être coupé à la tenaille puis limé avec une petite lime fine. Expériences avec cette hélice fixée sur une plate-forme mobile du type mécano (plaque de mécano ou de légo avec roues: l objet n avance pas! Inclinaison des pales: l objet avance ou recule suivant l inclinaison donnée aux pales. Si l hélice est fixe, le changement de sens de branchement de la pile aura pour conséquence de modifier le sens de rotation de l hélice ( les moteurs électrique possèdent sont crées sur le principe stator/ rotor basé sur les champs magnétiques et la polarité). donc détermination d un sens de rotation important à connaître. La roue à aube: Un cylindre de bois est entaillé à mi profondeur (avec une scie). Ce cylindre peut avoir une épaisseur de 3cm ou une épaisseur de10cm ( dimensions possibles pour avoir les deux cas de figure) Des rectangles de métal ou de plastique dur sont fixés dans les entailles puis collés (les dimensions des rectangles sont conditionnées par les dimensions du cylindre). En règle générale, il est bon de se fixer sur 3, 4 ou 8 aubes afin d éviter aux élèves des mesures trop complexes. Ne pas oublier de percer dans les deux cas un axe central. PHASE 4 : la liaison bloc moteur, bloc propulseur (réalisé à sec au départ sur mécano ou légo) Ici interviennent les plus gros problèmes, non sur le plan théorique, mais sur le plan de la réalisation pratique: Moteur avec hélice: Trois solutions possibles suivant les positions moteur hélice:

7 CAS 1: le bloc moteur est immergé, il sera nécessaire de le protéger par un boîtier étanche CAS 2: nécessité de créer un rappel à l aide de poulies CAS 3: perçage en oblique du support, l hélice est elle-même oblique. Seul le premier cas a été retenu car le plus simple à réaliser. Roues à aubes: Définition de la place des roues: latéralement si deux roues sont prévues à l arrière si grande roue

8 Dans les deux cas, il est nécessaire d étudier le positionnement du moteur, de la transmission et du bloc propulseur. Cas 1: les roues sont placées latéralement, deux possibilités de placement du bloc moteur: soit utilisation de transmission à l aide de poulies soit utilisation d engrenages coniques ou à renvoi dans des plans perpendiculaires (cas imaginé à partir des boites mécano et légo). Ne pas oublier la fixation de l axe mobile ainsi d une fixation fixe axe et roues. solidarisation axe + roue + poulie. Cas 2: système de transmission par poulie et élastique. Il est possible d imaginer une transmission centrale, auquel cas, la roue à aube est partagée en deux parties. La transmission latérale pose à la réalisation moins de problèmes. Ne pas oublier la fixation de l axe et la PHASE 5: réalisation du bateau Le socle: le premier travail consiste en la découpe d une planche de sapin ou de bois assez facile à travailler (à l exception du balsa): planche de 30cm sur 10 cm; épaisseur 10mm. Choix de la propulsion: Faire créer les schémas indicatifs aux dimensions réelles des choix des élèves: en fait 3 choix puis constituer les groupes en fonction de ces trois choix. Faire créer une fiche concernant l ensemble du matériel nécessaire à la réalisation (ce sera le transfert des compétences déjà acquises dans les phases précédentes) avec les dimensions des différentes pièces nécessaires. Tableau récapitulatif: à compléter et à vérifier FONCTION objet Dimensions Outils Support Alimentation Bloc moteur Bloc propulseur transmissions Finition de la coque Une fois ces éléments renseignés, mise en forme du bateau et de ses différents composants. Attention à l outillage et aux collages: problème concernant la sécurité et le soin.

9 Une fois tous les éléments créés, les positionner à l aide de ruban adhésif double face sur la plaque de bois; si le moteur est immergé, le placer dans un sac étanche et vérifier l assise de la planche sur l eau; il peut exister des problèmes d équilibrage à régler soit par le repositionnement de la pile et du moteur, soit par le biais d un lestage à l aide de grenaille de plomb. Viennent ensuite les finitions qui consisteront à créer: Un bastingage à l aide de baguettes carrées de 10 mm. Une cabine qui protégera le bloc moteur et l alimentation ( le balsa est intéressant). Un gouvernail si l on veut permettre une trajectoire rectiligne ou curviligne. Une quille servant à la fois d équilibrant au bateau en abaissant le centre de gravité; d objet directionnel pour une trajectoire rectiligne et de limitateur de tangage par l inertie qu elle oppose. Une protection pour le bloc moteur si celui ci est immergé. Eléments à prendre en considération: la pile doit pouvoir être accessible et protégée les fils conducteurs doivent être fixés au bloc moteur mais pouvoir se libérer de la pile les frottements doivent être réduits la vitesse de rotation du moteur peut amener à mettre en place des poulies et engrenages de diamètres différents. Rééquilibrage final du bateau avant de le peindre. Peinture et décoration du bateau: bien poncer les surfaces en bois, puis passer plusieurs couches de vernis marine extérieur et intérieur de toutes les parties en bois.

10 La décoration peut alors de faire sur le vernis avec des encres indélébiles; une couche de vernis pulvérisé sera ensuite utile pour parfaire le décor. A la place d un bateau, il est possible de construire une VOITURE à moteur électrique. La voiture ne sera en fait qu un modèle explicatif simple à réaliser à l aide d un mécano ou de pièces de légo. Eléments à prendre en compte: Les roues: il peut exister des modèles à quatre roues fixées sur un ou deux axes Un axe solidaire du bloc moteur et deux roues fixées sur un axe libre. Un axe solidaire du bloc moteur et deux roues libres fixées sur le support. Un axe solidaire du bloc moteur et deux roues fixées sur un axe pouvant avoir un mouvement de rotation sous le support (la notion de guidage et de volant apparaissent). La transmission: elle peut se faire au moyen de poulies ou d engrenages La fixation de la pile et du bloc moteur ne posent aucune difficulté. On peut également prévoir une grande hélice permettant une propulsion par un autre moyen que des roues; de ce fait, un deuxième transfert sur l avion à hélice est possible ( mais cet avion aura beaucoup de mal à prendre son envol du fait de la masse des matériaux et des éléments électriques). Cette étude peut être un transfert du bateau ou au contraire l étude préliminaire au bateau afin d étudier et de mettre en place les différents moyens de transmission.