MECANISMES ET TRANSMISSION DE MOUVEMENTS APPORTS

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1 MECANISMES ET TRANSMISSION DE MOUVEMENTS APPORTS DIDACTIQUES ET PEDAGOGIQUES I. Les programmes 1. Cycle des apprentissages fondamentaux Ce thème figure dans la partie «Les objets et matériaux». L'élève est conduit à une première réflexion sur les objets et les matériaux au travers d'activités permettant leur observation, leur utilisation et mettant en jeu des constructions guidées par le maître. Quelques réalisations techniques élémentaires permettent d'acquérir des compétences spécifiques et des connaissances dans des domaines variés laissés au choix des enseignants. La découverte de quelques objets et de leurs usages peut être reliée à la réalisation de maquettes et de constructions : c'est l'occasion d'une meilleure distinction entre les sources d'énergie et entre les fonctions d'un appareil, d'approcher les caractéristiques et les usages d'un axe, d'une manivelle... C est également l'occasion d'effectuer des mesures de longueur, de masses, de contenance et de durée, en relation avec les objectifs du programme de mathématiques. Les élèves doivent à la fois savoir utiliser l'instrument adéquat (règle, double décimètre, balance, verre gradué, minuteur...) mais également exprimer le résultat de leur mesure dans l'unité appropriée. 2. Cycle des approfondissements Voir «Leviers et balances Apports didactiques et pédagogiques» II. Fiche connaissance : transmission de mouvements 1. Connaissances Mécanisme Fonction Exemples d utilisation Poulie simple Transmettre un mouvement de translation de manière à modifier la direction de l'effort à exercer sans en modifier l'intensité. En somme, l'utilité d'une poulie réside dans le fait qu'elle permet à l'ouvrier de travailler dans une position plus confortable. Dispositifs de levage, grues Mécanismes et transmission de mouvements Apports didactiques et pédagogiques 1 / 10

2 Engrenages (deux roues dentées entraînées l'une par l'autre) ; transmission par chaîne bielle- Système manivelle Système pignoncrémaillère Transmettre et transformer des mouvements de rotation de manière à modifier l'effort à appliquer et la vitesse de rotation. Transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation alternatif (va-et-vient). Réciproquement, transformer un mouvement de translation alternatif en un mouvement de rotation. Transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation. Perceuse, changement de vitesse (bicyclette), essoreuse à salade, grue... Scie sauteuse, machine à coudre... Piston de moteur... Funiculaire, train à crémaillère ; porte d écluse ; loupe binoculaire, microscope Réinvestissements, notions liées Levier Energie III. Exemple d activité : la bicyclette 1. Niveau : CM 2. Objectif Conduire l'élève à : analyser un système technique (la bicyclette) en identifiant le rôle et la place de ses divers éléments ; classer ces éléments dans des sous-systèmes ; comprendre le principe de fonctionnement du système de freinage en construisant sa maquette ; expliquer le fonctionnement de la partie motrice et découvrir des relations mathématiques la concernant. Mécanismes et transmission de mouvements Apports didactiques et pédagogiques 2 / 10

3 3. Situation de départ Le maître propose d'analyser des images (photographies, dessins ou schémas) d'instruments de locomotion à deux roues d'intérêt historique. Ces deux véhicules possèdent une roue avant directrice. Le premier est mû par l action des pieds alors que le second possède un pédalier entraînant la roue avant. La draisienne est en bois, mais le vélocipède a un cadre en fer et des roues en bois cerclées de fer. La comparaison d'une bicyclette moderne (apportée en classe) avec ces premiers engins à deux roues débouche sur le problème suivant : comment classer tous les éléments d une bicyclette? 4. Activités, méthodes, savoirs Systèmes et sous -systèmes Les élèves citent les différentes parties de la bicyclette et les classent selon leur fonction, conformément au tableau suivant. châssis direction locomotion freinage éclairage cadre selle porte-bagages garde-boue guidon potence tube fourche roue avant pédalier roues dentées chaîne dérailleur roue arrière + sol jante frein câble poignée guidon génératrice roue (ou pile) conducteurs électriques phare avant feu arrière Mécanismes et transmission de mouvements Apports didactiques et pédagogiques 3 / 10

4 Influence du diamètre des roues du vélo Pour un tour de roue, tous les vélos parcourent-ils le même chemin? Les enfants se doutent que la dimension des roues a une influence. Pour vérifier cela et retrouver une relation mathématique intéressante, le maître propose de manipuler des disques en carton (a, b, c) de différents diamètres. Un clou traverse chaque disque en son centre et sert d'axe de rotation. En tenant le clou, un élève fait rouler le disque sur sa table sans le faire glisser. Sur chaque disque et sur la table, des marques sont faites pour pouvoir compter le nombre de tours ou mesurer le chemin parcouru (au départ, la marque du disque coïncide avec un point A de la table, puis, après une rotation complète, avec un point B) ; la distance AB est alors mesurée. Les résultats sont inscrits dans le tableau suivant où les longueurs sont exprimées en centimètres. La distance AB mesurée est égale au périmètre du cercle délimitant le disque. Aux erreurs de mesure près, il est possible de retrouver la valeur 3,14 du nombre qui est le rapport périmètre/diamètre. Donc, plus le diamètre de la roue est grand, plus le chemin parcouru pour un tour de roue est important. Mécanismes et transmission de mouvements Apports didactiques et pédagogiques 4 / 10

5 Transmission du mouvement Le pédalier met en rotation le plateau (roue dentée) qui lui est solidaire, puis, par l'intermédiaire de la chaîne, celui-ci fait tourner le pignon arrière (roue dentée), lequel entraîne à son tour la roue motrice dans son mouvement. Ceci peut facilement être décrit par les élèves au cours d'une démonstration à l'aide d'un vélo. Cette analyse soulève la question suivante : pourquoi la roue dentée du pédalier a-t-elle un plus grand diamètre, et donc un plus grand nombre de dents, que le pignon arrière? Certains enfants apportent des réponses en disant «c'est pour aller plus vite», d'autres ne savent pas. D'autres encore imaginent des raisons telles que «Sur une petite roue, il n'y a pas de place pour placer les, pédales». Il leur est alors proposé de manipuler des roues dentées afin de mieux comprendre. Engrenages Selon le schéma suivant, le maître réalise trois engrenages différents (R1, R2), (R3, R4), (R5, R6) à l'aide de six roues dentées (pignons) ; chacun est réalisé en double exemplaire pour permettre le travail de six groupes. Ces deux roues dentées en plastique, de diamètres différents, sont fixées à l aide de deux clous sur une planchette en bois. Elles constituent en engrenage. Lorsqu une roue est mise en rotation dans un sens, elle entraîne l autre dans une rotation de sens inverse. Les enfants font tourner, d'un nombre entier de tours, la grande roue dentée de l'engrenage et comptent les tours complets effectués par la petite roue ainsi entraînée. Pour cela, un trait AB est tracé sur la planchette et une dent de chaque roue est marquée par un signe (ou une couleur). Une roue fait un tour complet chaque fois que la dent marquée franchit le trait AB et se retrouve en contact avec une dent de l'autre roue. Ils comptent donc le nombre de tours nécessaires effectués par chacune des deux roues pour que les deux dents marquées soient de nouveau en contact (dans la position indiquée par le schéma précédent). Si les deux roues de l'engrenage n'ont pas le même diamètre, alors elles ne portent Mécanismes et transmission de mouvements Apports didactiques et pédagogiques 5 / 10

6 pas le même nombre de dents et n'effectuent donc pas le même nombre de tours. La plus grande est celle qui réalisera le plus petit nombre de tours. Les résultats sont consignés dans les tableaux suivants. Pour les trois engrenages, les nombres figurant dans les colonnes indiquent le nombre de tours effectués par la roue correspondante. Le tableau de droite précise le nombre de dents de chaque roue. Par exemple : R1 doit faire trois tours et R2 cinq tours pour que les deux dents marquées se retrouvent en contact (R1 est plus grande que R2). Pour chaque engrenage, les nombres entiers de tours effectués par les roues forment deux suites proportionnelles. L'opérateur, qui permet de connaître le nombre de tours effectués par la deuxième roue à partir de celui effectué par la première, est ainsi déterminé (par exemple : pour l'engrenage 3, l'opérateur est 4 = 4/1 = 8/2 = 12/3). Les élèves remarqueront que sa valeur dépend aussi du nombre de dents de chaque roue. En effet, il est égal à leur rapport (quotient) 1,66 = 15/9 ; 2 = 16/8 et 4 = 32/8. Chaîne et roues dentées Sur une bicyclette, le plateau avant et le pignon arrière engrènent, par l'intermédiaire d'une chaîne, et non directement. Ceci leur permet de tourner dans le même sens et d'être reliés, tout en étant à une certaine distance l'un de l'autre, Cependant, ces deux roues dentées agissent l'une sur l'autre comme si elles étaient en contact direct, et les raisonnements déjà élaborés pour les engrenages restent donc valables (la longueur de la chaîne n'a aucune influence). Le plateau avant possède plus de dents que le pignon arrière. Les recherches précédentes montrent alors que le nombre de tours de la roue arrière doit être supérieur à celui du pédalier. Ceci permet à l'enfant de comprendre qu'ainsi le cycliste fera avancer la bicyclette sur une distance importante sans avoir à faire beaucoup de tours de pédalier. Mécanismes et transmission de mouvements Apports didactiques et pédagogiques 6 / 10

7 IV. Séquence possible : Etude de l essoreuse à salade 1. Points du programme Mécanismes : transmission et transformation de mouvements. Objets et produits : montage et démontage d'objets techniques usuels, réalisation de maquettes. 2. Résumé Quelques pistes pour étudier le fonctionnement d'une essoreuse à salade et en recréer le mécanisme avec des engrenages. 3. Thèmes abordés Mouvements, les objets techniques. 4. Notions scientifiques Mouvements, transmission de mouvements. 5. Matériel Pour la classe : quelques essoreuses à salade. Par groupe de 2 : des engrenages. 6. Démarche pédagogique Point de départ Essayer de découvrir ce qui fait fonctionner l'essoreuse à salade, comment on peut modifier la vitesse ou le sens du mouvement. Exemples de propositions d'élèves - Un mécanisme caché entraîne le panier. - Il faut des roues avec des dents. - Il faut des petites et des grandes roues. Exemples d'expériences proposées par les élèves - Ouvrir l'essoreuse à salade. - Compter les dents des roues, faire tourner... - Réaliser des montages identiques. Mécanismes et transmission de mouvements Apports didactiques et pédagogiques 7 / 10

8 Expériences réalisées dans la classe - Phase de résolution : phase collective d'observation et de réflexion démontage de l'essoreuse, les parties en mouvement : dessin des roues dentées, modification de la vitesse, comptage du nombre de dents et du nombre de tours. - Phase de construction (par groupes de 2 élèves) Formulation des acquis réalisation libre d'une maquette recréant le mécanisme observé, croquis des productions réalisées : observations, critiques, transformation des réalisations pour : faire varier la vitesse (surmultiplier ou démultiplier), changer les sens de rotation, changer la direction du mouvement de rotation (utiliser une couronne dentée). - Schématisation des réalisations. - Mise en forme des observations. - Mesures, calculs (proportionnalité...). - Prolongements envisagés : mouvements avec poulies et courroies (vélo, grue...). V. Exemples de fiches d activité 1 1 CNDP / Delagrave Mécanismes et transmission de mouvements Apports didactiques et pédagogiques 8 / 10

9 1. Travailler sur les engrenages Mécanismes et transmission de mouvements Apports didactiques et pédagogiques 9 / 10

10 2. Travailler sur les poulies Mécanismes et transmission de mouvements Apports didactiques et pédagogiques 10 / 10