Les engins roulants, Ecole Paul Salomon 1 / Hélène LEBON ET Madeleine RIVIERE, MS

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2 Fiche connaissances pour l enseignant Ce qu'il faut savoir. Pour comprendre ce que fait une voiture qui roule il faut comprendre ce qu'est une FORCE. On appelle «force» une action capable de fournir une accélération à un corps, autrement dit d en modifier la vitesse. Exemple :en frappant dans une balle immobile, on la met en mouvement ; on a donc exercé une force dessus. Dans le cadre de ce projet, deux forces en particulier vont nous intéresser : la gravitation, et les frottements. 1 La gravitation est la force qu exerce, à distance,la Terre sur tous les objets qui nous entourent (nous y compris), et qui les attirent vers le centre de la Terre : un objet que l on lâche au-dessus du sol se met à tomber. Lorsque les élèves utilisent un plan incliné pour leur voiture, c est le même principe : la voiture «tombe», elle se rapproche du sol. Seulement, comme elle ne peut pas traverser le plan incliné, elle ne descend pas verticalement, mais en suivant la pente. 2 les frottements les frottements cinétiques, qui ont lieu lorsque deux corps en contact bougent l un par rapport à l autre. Exemple : faire glisser sa main sur une table en appuyant les doigts, la résistance que l'on sent est due au frottement cinétique les frottements statiques qui empêchent deux corps immobiles en contact d acquérir un mouvement relatif. Exemple : ce sont les frottements statiques entre nos doigts et le corps d un stylo qui permettent de le tenir lorsque l on écrit. De façon générale, les frottements cinétiques s opposent au mouvement relatif (qui existe) des corps,c'est-à-dire que c est une force qui s exerce dans le sens opposé au mouvement : si la main va vers la droite, les frottements la «tirent» vers la gauche. Les frottements statiques, eux, s opposent «au mouvement relatif qui existerait en leur absence». Par exemple, lorsqu une roue de voiture se met à tourner, le bas de la roue a tendance à glisser sur le sol. Lorsqu on dit que l adhérence est bonne, ce sont en fait les frottements qui sont suffisants pour empêcher la roue de patiner : ils exercent alors une force vers l avant qui permet de faire avancer le véhicule ; dans ce cas on peut montrer que les frottements sont statiques. Au contraire, si par exemple le sol est verglacé, les frottements sont trop faibles et la roue patine : le véhicule n avance pas ou peu, et dans ce cas les frottements sont cinétiques. C est la même chose pour la marche à pieds. Une différence importante entre les frottements statiques et les frottements cinétiques est que les premiers ne dissipent pas d énergie, contrairement aux seconds ; autrement dit, les frottements cinétiques ont tendance à faire ralentir l objet, ce qui n est pas le cas des frottements statiques. Les exemples de frottements que nous avons mentionnés jusqu ici concernent des frottements solide/solide. Dans ce cas, on considère généralement que la force de frottement entre les deuxsolides en contact est proportionnelle à la force qui plaque les surfaces l une contre l autre (pour un objet posé sur le sol, la force qui le plaque est la gravitation). Le coefficient de proportionnalité est appelé coefficient de friction et dépend principalement du revêtement des matériaux en contact. Ce seront surtout ces frottements qui poseront problème aux élèves. Il y a également des frottements qui sont dus au mouvement d un corps solide dans un fluide : penser par exemple à l air qui freine une voiture sur l autoroute, ou à nos mouvements qui sont plus lents dans une piscine que dans l air. Ils joueront cependant un rôle relativement négligeable pour les petites voitures des élèves, en raison de leur faible vitesse. Dans ce module, les élèves vont être amenés à construire des petites voitures, qui doivent être capable de descendre un plan incliné, puis de continuer en ligne droite, une certaine distance. Pour que le véhicule puisse «rouler» au sens où on l entend usuellement, il faut que les roues puissent tourner, indépendamment de la carrosserie, tout en étant reliées à elle. C est cette difficulté technique que les élèves vont devoir résoudre. Une façon simple de procéder est de solidariser les roues deux par deux à l aide d une tige, et de permettre à cette tige de tourner sur elle-même en la faisant par exemple passer dans une paille collée à la carrosserie. Les performances de la voiture seront en partie influencées par les frottements au niveau du système de fixation : ce

3 sont eux qui vont ralentir la rotation des roues, et donc la voiture. Ils doivent donc être limités ; une façon de procéder est de choisir des matériaux pour lesquels le coefficient de friction est faible (par exemple, il vaut mieux que l axe soit en contact avec du carton qu avec de la gomme), et de limiter la surface de contact entre les pièces mobiles et les parties fixes. Il y aura également frottement au niveau de la zone de contact entre les roues et le sol : si les frottements sont statiques (bonne adhérence), il n y aura pas de perte de vitesse ; cependant, si les roues glissent sur le sol quand la voiture avance (cas extrême : les roues sont scotchées à la carrosserie et ne tournent pas du tout), la voiture ralentira. En ce qui concerne la linéarité de la trajectoire, celle-ci sera principalement influencée par l alignement des roues. Dans le cas d une voiture à deux axes, on peut considérer que les roues d un même axe sont à peu près parallèles (en vertu du théorème : «deux droites perpendiculaires à une même droite sont parallèles entre elles») ; ce sera donc le parallélisme des deux axes qui sera déterminant. Tiré du document en ligne «Les objets roulants», centre pilote «la main à la pâte» nogent sur Oise, 2010/2011

4 Ce que l élève doit retenir. Pour que la voiture roule, il ne faut pas que les roues soient collées et il faut qu'elles touchent le sol. La voiture doit : rouler aller droit sur la piste aller loin être solide Pour une voiture, l es roues doivent être au nombre de 4 Ne pas être collées touchées le sol être droites et dans le bon sens Pour fabriquer un engin qui roule il faut: un châssis des roues - des axes qui tiennent les roues au châssis.

5 Programmation des séances Proposition de programmation Fabriquer des objets en utilisant des matériaux divers, choisir ses outils et des techniques adaptées au projet (couper, coller, plier, assembler, clouer, monter, démonter...). Découvrir le monde : - utiliser des procédés empiriques pour faire fonctionner des mécanismes simples - reconnaître, classer, sérier, désigner des matières, des objets, leurs qualités et usages Déterminer ce qui roule et ne roule pas dans la classe, et sur des photos Manipuler des objets roulants Les objets qui roulent, roulent-ils tous de la même façon? Réaliser des traces d'objets à la peinture Rouler ou faire rouler en motricité Mesurer la distance parcourue par l'objet roulant,la consigne étant de lâcher l'objet Construire des objets censés roulés à l'aide de fiche technique Emettre des hypothèses, trouver des solutions construire son prototype

6 réalisation d'une fiche technique collective transversalité langage, langage écrit, arts visuels, agir et s'exprimer avec le corps 1ère séance : nommer et trier les objets roulant ou ne roulant pas Compétences visées Développer le langage de situation. Comprendre le problème posé. Acquérir un vocabulaire spécifique. «Réalisations des enfants»: Les enfants écoutent le problème posé, observent et nomment les objets et les images. Ils discutent autour du problème posé : "Comment trier les objets qui roulent et ceux qui ne roulent pas?" Matériel nécessaire: Une douzaine de boules différentes, des œufs en plastique... des photos d'objets qui roulent et qui ne roulent pas Des objets qui ne roulent pas (cubes, formes variées, jouets, boites de lait, boites céréales, boites allumettes...) des objets qui roulent (cônes, œufs, ronds, cylindres ) Une petite voiture, trains, camions Grandes feuilles blanches, colle Objectifs: Manipuler, trier des objets suivant un critère. Vocabulaire: Rouler, glisser, tomber, lancer

7 Actions menées: En grand groupe, des objets sont dans une grande boîte. Aller ranger les objets. Problèmes posés par les élèves: Verbaliser et différencier les mots: ceux qui roulent, ceux qui glissent. Si ça avance, ça ne roule pas forcément. Que faut-il pour ça roule? 1.Utilisation libre des objets roulants 2.Observation des objets roulants de l'école, questionnement : «Quels sont ces objets? Comment s'appellent-ils? Sont-ils tous pareils? Qu'ont-ils de pareil? Comment les utilise-on? Comment fonctionnent-ils? Quelles sont les différentes parties qui les composent, et à quoi servent-elles? Quels autres objets roulants connaissons-nous et qui ne sont pas dans l'école? 3.Dessin de l'objet préféré en individuel et le légender avec l'enseignant. 4. Découper des images représentant des objets roulants dans des magazines (conserver ces images pour la séance suivante et éventuellement compléter cette collection). Transdisciplinarité séances en parallèle : Domaine concerné: Imagination / Création Objectifs: Laisser des traces Faire rouler dans un espace fermé, des billes, des boules, des balles Rouler dans ses mains sur la table, dans ses doigts pour fabriquer des billes de différentes tailles Matériel: Boîtes, feuilles, barquettes de peinture, terre, pâte à modeler, pâte à sel Actions menées: Sur les tables, des boîtes garnies d'une feuille au fond et faire des traces avec une bille. Consigne: Faire rouler pour que ça laisse des traces Fabriquer des boules qui roulent faire des traces avec des objets ronds Problèmes posés par les enfants:

8 Trouver le geste adapté en fonction de la taille de la boîte et de l'objet qui roule Trouver le geste adapté à chaque matière et à la taille de la boule. Traces écrites: Les feuilles avec les traces ont servi pour les couvertures de cahier Domaine concerné: Agir et s'exprimer avec son corps Objectifs: Rouler avec des jouets qui roulent: vélos, patins, planches à roulettes, faire rouler.descendre une pente, comparer les distances parcourues Suivre un parcours, se diriger Matériel situation; cour,et salle de motricité cerceaux, tapis de sol, anneaux, vélos, ballons,balles.. Actions menées: Se servir de la pente de notre cour pour mesurer la distance parcourue par les objets roulants Trouver le plus de façons possibles de rouler (sans accessoires) Traces écrites : affiches collectives

9 2 nde séance fabrication d'un objet à partir des jeux de construction de la classe et de fiches techniques Matériel: CLIPPOS LEGOS ENGRENAGE TUBULO On montre la voiture de la fiche technique déjà construite. 2. Explication par les élèves de la fiche technique, énumération du matériel, explications des différentes phases, verbalisation des différentes actions. 3. Mise en activité.

10 4. Vérification : l'objet obtenu roule ou ne roule pas et comporte une ou toutes les caractéristiques requises (roues, châssis, axe). Exemple de fiches :

11 ème 3 séance : fabriquer un objet roulant Compétences visées Analyser une production Exprimer une action à l'aide d'un vocabulaire spécifique. Savoir expérimenter une proposition et savoir effectuer des comparaisons. Objectifs: Explorer et manipuler le matériel,verbaliser les problèmes et les conclusions, décrire un procédé de fabrication étape par étape. Réalisations des enfants Les enfants manipulent le matériel et fabriquent des voitures qui roulent.

12 Ils observent et comparent leurs productions. Matériel: pailles pics à brochettes allumettes boites en carton diverses, allumettes, céréales, lait barquettes alimentaires planches de bois bouteilles plastiques, boites à oeufs scotch, ficelle, colle pâte à modeler auto-durcissante œufs en plastiques bouchons de bouteilles différentes formes, liège, plastique perles de différentes formes leurres : objets types carré, rectangles, percés que les enfants pourraient prendre pour des roues outil de perçage pour l'enseignant Actions menées: Phase 1: Les enfants ont le matériel disponible sur les tables. La consigne est: "Fabriquer une voiture qui roule" Phase 2: en petit groupe avec l'enseignante, les enfants observent les voitures et essayent de répondre à la question: "Est-ce que ce qui a été fabriqué roule?". Ils essayent de dégager ce qui ne va pas. Problèmes posés par les élèves: Certains enfants ne vont pas mettre 4 roues mais 2, 6 roues. D'autres vont mettre des roues en haut et en bas. Les axes ne tournent pas parce qu'ils sont fixés directement sur la boîte. Conclusions en petits groupes: il faut quatre roues. Reprendre les petites voitures et guider les observations: Mettre les roues en dessous ( du même côté de la boîte), pour que la voiture roule,

13 Les roues doivent tourner librement Traces écrites Réalisation d'une fiche technique

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