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1 - Un appareil de levage ou de traction à treuil

L’analyse d’une photographie permet aux élèves de s’interroger sur la présence d’engrenages pour hisser un engin très lourd.

Pour s’approprier un tel mécanisme, on peut demander aux élèves de construire la maquette proposée en matériel modulaire :

Dans le cas d’un treuil, quel est le meilleur choix ?

Les élèves émettent des hypothèses, prévoient des réalisations et vérifient par la construction.

Le montage comprend 2 axes parallèles dotés, l’un d’une grande roue dentée, l’autre d’une petite roue dentée.
– On peut échanger la position des roues et de la manivelle, pour avoir tantôt la manivelle qui entraîne la petite roue à l’entrée du système, tantôt la grande roue.

– L’expérimentation vise la comparaison de l’effort à fournir pour soulever la charge, en faisant tourner la petite roue, puis la grande.
– Il s’agit d’une appréciation qualitative, et non quantitative, du phénomène.

Un tableau peut résumer les observations :

Pour conclure, les élèves auront pris conscience que quand le mouvement en sortie est plus lent, il faut faire de nombreux tours de manivelle mais que l’effort à fournir pour chaque tour est moindre.

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2 - L’essoreuse à salade

L’essoreuse à salade est un objet technique d’un usage domestique très fréquent et très familier pour les élèves. Cependant, ils en ignorent totalement la conception et le fonctionnement. Cet ustensile est :
– facile à se procurer,
– peu coûteux,
– offre l’avantage de pouvoir être facilement démonté pour observer ses différentes pièces mécaniques constitutives et son fonctionnement.
– le modèle de base comporte deux roues dentées.

DEUX DÉMARCHES

La première : Les élèves découvrent à partir de cet objet le principe des engrenages.

La seconde : Ils réinvestissent les notions acquises lors de l’étude de cet objet. (séance de prolongement - évaluation...)
Préalablement, les élèves ont manipulé, observé, découvert des objets techniques, construits des maquettes de matériel modulaire comportant des engrenages et ont structuré des connaissances relatives à ce principe mécanique.

Les élèves peuvent apporter des essoreuses à salade de la maison. Le maître apporte de la salade.

L’enseignant organise une phase d’utilisation effective des essoreuses, durant laquelle on observe l’effet produit sur la salade, le mouvement du panier (pour les essoreuses à cuve transparente).

Réaliser :
– un questionnement sur la fonction principale de cet objet,
– une représentation externe de l’objet.
Ils permettent de prendre conscience qu’ici, on cherche à séparer et à recueillir l’eau de lavage de la salade grâce au mouvement de rotation continue d’un panier perforé, entraîné par une manivelle.

– Les élèves pensent parfois que l’eau sort seulement par le fond du panier. Une observation des parois du bac permet de mettre en évidence que l’eau sort aussi par les parois latérales du panier.

– Si les cuves ne sont pas transparentes on peut retirer la cuve extérieure et assembler avec du ruban adhésif le panier sur les bras d’entraînement ou manipuler en retournant le couvercle et supprimant le bac.

– On peut aussi placer sur le côté intérieur des parois une bande de papier. Quand on fait tourner l’essoreuse dans des conditions normales d’utilisation, on pourra mettre en évidence à la fin de l’essorage les traces d’eau sur le papier.

– Une variante consiste à placer dans le panier une feuille de plastique sur laquelle ont été déposées des gouttelettes de peinture. Après rotation, le papier de la paroi est coloré.

– Les élèves constatent que l’éjection de l’eau est d’autant plus efficace que le panier tourne vite : l’essoreuse doit posséder un mécanisme qui doit permettre au panier de tourner rapidement, plus rapidement que la vitesse de rotation qu’on peut donner à la main.

Une représentation externe de l’objet permet de nommer les différentes pièces et de visualiser la position du disque d’entraînement et de sa manivelle.

Le travail porte ensuite sur le mécanisme qui permet d’obtenir une rotation rapide du panier. Une première observation a fait apparaître que :
– le panier et la manivelle tourne dans le même sens ;
– le panier tourne plus vite que la manivelle.

QUESTION : Combien de fois le panier tourne-il plus vite que la manivelle ?

Manipulation : par équipe de 2 ou 3.
– Le maître laisse les élèves procéder aux relevés.
– Chaque groupe présente ses résultats et ses stratégies.

La confrontation des résultats fait apparaître la nécessité de dégager un procédé fiable pour un comptage rigoureux.
On peut convenir :
– de positionner l’essoreuse à l’envers ;
– sans la cuve ;
– le panier posé sur le couvercle ;
– de prendre des points de repère pour la manivelle et pour le panier ;
– de confirmer les résultats en renouvelant les prises de mesure.

Après une nouvelle manipulation, les résultats sont reportés dans un tableau sur leur cahier.

La lecture des résultats obtenus amène à constater que :
– les résultats peuvent être différents suivant les modèles ;
– on peut toujours établir une relation entre le nombre de tours de la manivelle et celui du panier.

On se trouve dans une situation de proportionnalité qui permet de calculer le nombre de tours du panier pour 1, 2... 6... tours de manivelle.

Question : Pourquoi le panier tourne-t-il plus vite que la manivelle ?

Travail demandé :
– imaginer le mécanisme caché dans l’essoreuse ;
– le représenter par un dessin.

L’analyse peut mettre en évidence des dysfonctionnement ou des fonctionnements à priori opérationnels.

Validation des propositions :
– réalisation de maquettes du dispositif qu’ils imaginent.

Analyse : certaines maquettes présentent un mécanisme qui semble s’approcher de leur essoreuse à salade :
– accélération de la vitesse ;
– sens de rotation inversé ;
– pas la même vitesse.

Il faut 3 roues dentées pour conserver le sens de rotation.
Pour augmenter la vitesse de rotation de la grande roue à laquelle est liée la manivelle, il faut placer en sortie une roue très petite à laquelle est liée le panier.

Une observation du mécanisme va faire découvrir aux élèves une nouvelle conception de roues dentées :
– une grande roue dentée possédant des dents intérieures associées à une petite roue dentée à dents extérieures.

Analyse des dessins :
Il faut bien veiller à ce que les dessins proposés par les élèves proposent des montages opérationnels. On retrouve les erreurs suivantes :
– absence de contact entre les roues non équivalentes ;
– taille des dents dans les roues non équivalentes ;
– manivelle non reliée à la bonne roue.

Pour valider les dessins, les élèves démontent leur essoreuse à salade et observent :
– les pièces dissociées :

• grande roue ;
• petite roue avec les bras ;
• couvercle ;
• manivelle.

– le fonctionnement du mécanisme.

Trace écrite définitive, les élèves peuvent compléter un schéma fourni par l’enseignant.
L’élève inscrit le sens de rotation des roues, colorie le nombre de dents de la grande roue correspondant à un tour de roue de la petite roue dentée.

Il peut comprendre pourquoi la petite roue, donc le panier, tourne plus vite que manivelle :
– un tour de la petite roue correspond à seulement quelques dents de la grande roue dentée solidaire de la manivelle.

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3 - La bicyclette : un système roues dentées-chaîne

L’étude de la bicyclette va beaucoup intéresser les élèves, qui possèdent généralement cet engin personnellement.
Elle portera sur son analyse technologique, sa structure, son fonctionnement, son histoire, pour comprendre son évolution dans le temps.

Il sera pertinent de partir de l’objet que les élèves connaissent et utilisent.
Le maître veillera à préparer les bicyclettes pour créer une situation d’étonnement sur les développements. Il faut s’arranger, en choisissant les braquets, de faire en sorte qu’une bicyclette à roues plus petites qu’une autre ait un développement (distance parcourue pour un tour de pédalier) plus grand.

C’est une situation de départ qui est très mobilisatrice et qui suscite une très bonne dynamique de recherche.

CONCEPTION DES ÉLÈVES :
"Dessiner de mémoire sa bicyclette ou une bicyclette".
On peut s’apercevoir qu’un certain nombre de pièces sont mal représentées, incomplète ou absentes :
– la chaîne ;
– le système de freinage ;
– les rayons de la roue...

Le vocabulaire n’est pas toujours connu des élèves, pas plus que l’explication du mécanisme.

Conception qui apparaît fréquemment : la chaîne va à la roue arrière et dessert aussi la roue avant.

TRAVAIL AUTOUR DE LA BICYCLETTE :
– décrire ;
– échanger ;
– acquérir un vocabulaire technique approprié ;
– repérer la constitution de la chaîne qui lui permet d’assurer la liaison entre deux roues dentées.
– avoir une réflexion sur le rôle des pièces afin d’organiser leurs fonctions techniques. (exemple : la fonction : transmettre le mouvement)

QUESTIONNEMENT :
– Comment la bicyclette avance-t-elle ?
– Quelle bicyclette ira le plus loin pour un tour de pédalier ?
– Un tour de pédalier permet-il à la roue de faire un tour complet ?
Comment procéder pour vérifier ?

Les enfants mettent au point des procédures pour mesurer :
– Comptage du nombre de tours de la roue arrière de la bicyclette pour un tour de pédalier
– Mesure du développement.

RÉSULTATS :
Ils sont collectés dans un tableau pour être confrontés.

De là sont émises des hypothèses pour expliquer les divergences dans les résultats :
– longueur de la chaîne ?
– diamètre de la roue ?
– taille des roues dentées ?
– mesure du périmètre des roues ?
– nombre de dents du pignon ?
– nombre de dents du plateau ?

Les élèves ont alors assez d’éléments pour vérifier que :
– le nombre de tours faits par la roue arrière pour un tour de pédalier dépend de nombres de dents du pédalier et du pignon ;
– le développement de la bicyclette dépend du périmètre de la roue et des nombres de dents du pédalier et du pignon.

DES RELATIONS MATHÉMATIQUES PEUVENT ÊTRE ÉTABLIES : dégager le coefficient de proportionnalité à partir des données du tableau.

ÉTUDE DE L’ÉVOLUTION DU SYSTÈME DE TRANSMISSION :
C’est le fruit de l’évolution technologique.
Cela peut être l’occasion d’une recherche/observation (Internet / bibliothèque...)
On peut revenir sur :
– l’histoire de la "Petite reine" ;
– les différents usages du vélo et les différentes association pignons/plateaux : VTT, VTC.