La force centrifuge. Théorie rattachée à la force centrifuge : Tout d'abord nous allons parler de la force en général.

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1 La force centrifuge Théorie rattachée à la force centrifuge : Tout d'abord nous allons parler de la force en général. Une force est ce qui peut faire bouger, arrêter, dévier, déformer un objet, ainsi que modifier sa vitesse (accélération/décélération). Il existe des forces de contact et des forces d interaction à distance. Comme son nom l indique, une force de contact caractérise une interaction directe entre plusieurs objets. On peut citer à titre d exemples les forces de frottement entre un objet et son support, ou plus généralement n importe quelle force qu un objet exerce directement sur un autre objet. Concernant les forces d interaction à distance, elles dépendent de la distance entre les deux objets. C est par exemple le cas pour les forces d attraction gravitationnelles. Il existe des forces à toutes les échelles, de la force gravitationnelle (entre les corps célestes), à la force nucléaire (assure la cohésion d un noyau atomique). Une force est représentée par un vecteur, ayant un point d'application, une direction, un sens et une intensité spécifique à la force donnée. Pour la caractérisation qualitative et quantitative des forces, on s est longtemps entièrement appuyé sur les lois de Newton (XVIIème siècle) qui constituent la majeure partie de la mécanique classique. Seulement au début du XXème les théories de ce qu on appelle la mécanique quantique, émergent. Elles traitent globalement du comportement des particules élémentaires. La mécanique Newtonienne est néanmoins toujours utilisée pour un certain nombre de forces. Le terme de force «centrifuge» vient du latin centrum le centre et fugere fuir, donc de quelque chose faisant en sorte qu un objet tend à s éloigner du centre. La force centrifuge n'est pas une force à proprement parlé. Il s'agit plutôt d'un effet, d'une force «fictive». Elle apparaît en réponse à la présence d'une «vraie» force : la force centripète. La force centrifuge est opposée à la force centripète, qui a tendance à attirer un corps vers le centre de la trajectoire. Elles sont toutes les deux perpendiculaires au déplacement. La force centrifuge, quant à elle, a tendance à éloigner un corps du centre de la trajectoire. Pour que la force centrifuge pousse un corps radialement il faut que la vitesse du déplacement soit supérieure à l'accélération de la pesanteur g (chute libre). Ces forces caractérisent un mouvement, si ce n est circulaire, du moins elliptique dans un référentiel non inertiel. La force centrifuge est proportionnelle à la masse de l objet, à sa vitesse et à l inverse de l axe de rotation. En effet on remarque qu il faut que la masse de l objet soit suffisamment importante pour qu il soit poussé vers l extérieur et que plus l objet est lourd, plus il aura tendance à s éloigner du centre une fois en mouvement. De même plus la vitesse est importante, plus l objet sera dévié vers l extérieur ; il sera difficilement contrôlable. On remarque également que plus l axe de rotation est petit, plus la force centrifuge aura un effet important. 1. 1/11

2 Ainsi en tenant compte des dimensions respectives des variables, on obtient cette formule : Fcentrifuge = mv²/r Avec : Fcentrifuge est la force centrifuge, s exprime en Newtons (N), m la masse de l objet, qui s exprime en kilogrammes (kg) v est vitesse linéaire sur la tangente à la trajectoire, s exprimant en mètres par seconde (m/s), R l axe de rotation entre l objet et le centre de la trajectoire, en mètres (m). Les champs d application de la force centrifuge sont très variés. Ils peuvent être de : l utilisation quotidienne : une essoreuse à salade, la machine à laver ou encore la voiture (dans un virage) l utilisation biologique : une centrifugeuse l utilisation aéronautique, ferroviaire etc 1. 2/11

3 Objectifs finaux de compréhension : compréhension basique de la notion de force. compréhension de l'utilisation de la force centrifuge en pratique. Objectifs finaux de réflexion : mise en place une ébauche de réflexion scientifique : hypothèse de début, expériences, et conclusion. savoir remettre en question son hypothèse de début au fur et à mesure des expériences. Capacités demandées : compréhension de consignes simples, notamment pour l'expérience n 1. concentration attentionnelle. écriture comme outil. Capacités développées : raisonnement structuré. travail en groupe : interaction dans un but donné. 1. 3/11

4 Déroulement de la séquence : Travail sur le concept de force Il ne semble pas très pertinent, en présentant ce qu'est la force de centrifuge, d'expliquer à un écolier de cycle 3, qu'en réalité la force centrifuge n'est pas une vraie force. Ainsi on peut commencer par les faire discuter de ce qu'est une force en général. Tout d'abord la force la plus connue, ce qu'ils pourraient appeler la force d'attraction terrestre, on peut la mettre en évidence en lâchant une balle non rebondissante. Elle va donc tomber. On peut leur demander alors ce qu'il s'est passé. Pourquoi la balle est tombée. Alors qu'on l'a juste lâchée, et non pas jetée. Ils peuvent ainsi venir à la compréhension que le fait que la Terre attire les objets est en soit une force. Ensuite on essaye de matérialiser d'autres forces. On peut ainsi faire une expérience avec des balles ou ballons, en classe ou dans la cour, où une balle (ou un ballon) va être lancée horizontalement sur la table (ou le sol). On passe quelques élèves autour de la table. Le premier va lancer la balle (à vitesse réduite) sur la table, le deuxième va l'envoyer au troisième en déviant la trajectoire sans arrêter l'objet, et ainsi de suite jusqu'au dernier qui l'arrêtera. Avec cette expérience on voit que les forces peuvent créer un mouvement, le modifier ou l'arrêter. Puis on peut faire le même type d'expérience avec des objets plus lourds en leur demandant si il faut plus de force de pour le faire bouger, changer de direction et d'arrêter. On proposera une petite définition de ce qu'est une force : il s'agit de quelque chose qui agit sur un objet, qui peut faire le faire bouger, changer de direction ou s'arrêter. On peut aussi dire que plus l'objet est lourd, plus la force à appliquer doit être grande. Hypothèses sur la force centrifuge En s'aidant d'une définition prise dans un dictionnaire, les élèves peuvent essayer de formuler quelques hypothèses concernant la force centrifuge : dans quel cas a-t-on une force centrifuge? Comment peut-on la représenter sur un schéma? Dans quel sens/direction?,... On vérifiera ces hypothèses après chaque expérience. Expérience n 1 On fait reproduire le dispositif ci-contre par les élèves. Attention la ficelle ne doit pas être trop serrée, sinon la ficelle s'enroulera autour du bâton au lieu de lui tourner autour. Avec cette expérience les enfants voient la perle, sur la ficelle être poussée vers le bout le plus éloigné du bâton qui représente l'axe de rotation. Cela va aider les élèves à visualiser la force centrifuge. On peut alors leur demander de dessiner ce qu'ils ont pu observer et de représenter sur leur dessin la force centrifuge telle qu'ils la voient par une flèche. On leur demande alors si leur dessin correspond à leurs hypothèses de début. Bâton Perle Sens du déplacement Ficelle + noeud 1. 4/11

5 Expérience n 2 La seconde expérience consiste à faire tourner un seau, contenant des billes, verticalement. On peut d'abord demander aux élèves ce qui va se passer selon eux : est ce que les billes vont tomber ou non? Ensuite on procède à l'expérience. En faisant tourner le seau vite on voit que les billes vont rester au fond du seau, mais si on le fait tourner assez lentement les billes tomberont. En faisant varier la vitesse de rotation on montre que la force centrifuge dépend de la vitesse du mouvement. Dans un deuxième temps on peut faire la même expérience en mettant de l'eau à la place des billes, ce qui sera peut-être plus évocateur pour les enfants. On peut mettre plus ou moins d'eau et montrer ainsi que plus l'objet est lourd, plus on aura de difficulté à le faire tourner. On lie ainsi la Force à la masse. Pour cette variante il est préférable d'être en extérieur. À la fin de l'expérience on demande aux enfants de dessiner sur leur feuille l'expérience qu'ils ont fait/vu et d'y représenter la force centrifuge par une flèche. On peut ainsi comparer les hypothèses de début avec ce dessin. Expérience n 3 Sangle ou corde Dans cette expérience on utilise une toupie dans laquelle on lance une bille. Bille Le but est de faire en sorte que la bille ne tombe Toupie pas au fond de la toupie et qu'elle reste à la même hauteur. Pour ce faire on fait tourner la toupie avec une vitesse assez grande mais constante. Avec cette expérience on peut leur faire comprendre que la force centrifuge ne dépend pas de la présence d'une corde/ficelle entre l'objet et l'axe de rotation. Ils peuvent aussi voir que la force centrifuge apparaît quand on fait tourner un objet et qu'elle est constante quand la vitesse est constante. On leur fait réaliser un dessin de l'expérience avec représentant la force centrifuge telle qu'ils se la représentent par une flèche. Seau Billes Sens du déplacement Sens du mouvement 1. 5/11

6 Conclusion Lorsque les trois expériences précédentes ont été faites, il faut vouloir ce que les élèves en ont compris. On récapitule les hypothèses de début. On demande alors aux enfants s'ils sont toujours d'accord avec ces hypothèses et si non pourquoi, en se basant sur quelle(s) expérience(s). Ainsi on peut établir de nouvelles hypothèses sur ce qu'est la force centrifuge, basées sur l'expérimentation, plus proche de la réalité. Réflexion des utilisations de la force centrifuge dans la vie quotidienne On demande aux enfants avec quel type d appareil on peut avoir une force centrifuge. Généralement les réponses sont : l essoreuse à salade, puis la machine à laver. On peut aussi d utilisation plus technique : la centrifugeuse qui sépare les différents composés d un mélange, par exemple du sang. Autres expériences : Bille dans le ballon On prend une bille. Elle doit être suffisamment légère pour ne pas percer le ballon, et assez lourde pour que la force centrifuge puisse agir dessus de façon significative. On la met dans un ballon de baudruche que l on gonfle et ferme par un nœud. Dans cette expérience on fait tourner le ballon de la même façon que la toupie dans l expérience n 3. La bille va alors décrire un mouvement circulaire (ou elliptique) à l intérieur du ballon. On voit que si on fait varier la vitesse, la bille va changer de hauteur dans le ballon : elle sera plus ou moins haute, et la trajectoire plus ou moins uniforme. Bille Axe de rotatio Ballon de baudruche Sens du mouvement Essoreuse Il faut une essoreuse, par exemple à salade comme celle présente ci-contre. Dans l essoreuse on place des morceaux de tissu mouillés (pas trempés, ni humidifiés) dans le centre du panier. Ensuite on fait tourner l essoreuse, avec l embout extérieur (entouré en rouge) d une dizaine de tours extérieures. On enlève le couvercle et le panier. On voit alors que les morceaux de tissu sont plaqués contre les parois du panier, et que la cuve externe contient de l eau, qui était auparavant dans le tissu. Donc à cause de la force centrifuge le tissu s est vu projeté contre les parois du panier, et l eau a continué sa course à travers les trous de ce dernier pour arriver dans la cuve externe. 1. 6/11

7 Remarque sur le contenu Tout d abord ce qui ressort c est qu aborder la force centrifuge en enseignement du 1 er degré se révèle n être approprié qu en cycle 3 et avec des enfants assez éveillés notamment lorsqu on parle des forces qui relèvent du domaine de l abstrait, et de l intangible. On ne peut donc faire qu un effleurement de la matière en restant le plus concret possible. Concernant les activités en elles-mêmes : Passer par une étape de réflexion sur des hypothèses peut être compliqué, surtout si les élèves n ont pas déjà vu une certaine méthodologie scientifique auparavant. Pour l expérience n 1 les consignes doivent être plus précises : ne pas se contenter de consignes floues sans quoi les élèves risquent d échouer, ou, en tout cas, de prendre du temps et leur intérêt pour l activité. Pour l expérience n 2 l utilisation d eau dans le seau rend les choses plus concrètes pour les élèves que les billes, et facilite leur compréhension. 1. 7/11

8 Bibliographie Images : Wikimédia m html#mpos=5 cd /11

9 ANNEXE 1. 9/11

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