Knex 78630 Education Intro to Gears Teachers Guide Manuel du propriétaire

®
Education
LE GUIDE DE
L’ENSEIGNANT
LES ENGRENAGES
LES MACHINES SIMPLES
78630
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
Guide de I’enseignant
96566-V3-10/14
© 2014 K’NEX Limited Partnership Group
Protégé par le droit d’auteur international.
Tous droits réservés.
K’NEX Education est une marque déposée
de K’NEX Limited Partnership Group.
Développé, produit et distribué aux
États-Unis et au Canada
Par K’NEX Education
Cet ensemble est conforme aux
spécifications du règlement F963-03
(Standard Consumer Safety Specification
on Toy Safety) de l’ASTM.
K’NEX Limited Partnership Group
P.O. Box 700
Hatfield, PA 19440-0700
1-888-ABC-KNEX
courriel : abcknex@knex.com
Visitez notre site internet :
www.knexeducation.com
Ouvré sous les brevets américains
5,061,219; 5,199,919; 5,350,331;
5,137,486.
Autres brevets américains et étrangers
en instance.
! ATTENTION :
RISQUE D’ÉTOUFFEMENT – Pièces de petite taille.
Ne convient pas aux enfants de moins de 3 ans.
Note de sécurité
La sécurité est une préoccupation primordiale
dans une classe de sciences et technologies.
Il est recommandé que vous établissiez des règles
de sécurité qui vous permettront d’utiliser les
accessoires K’NEX en toute sécurité. Dans le cas
de ce matériel, l’usage d’élastiques doit être bien
contrôlé.
Attention particulière :
Les étudiants ne doivent pas étirer ou enrouler les
élastiques à l’excès, car ils risquent de se blesser
ou de blesser un autre étudiant. Toute marque de
détérioration des élastiques doit être mentionnée à
l’enseignant. Les enseignants et les étudiants doivent
toujours s’assurer que les élastiques soient en bon
état et ce, avant chacune des expériences.
Il est important d’éloigner les mains et les cheveux
des pièces mobiles. Ne jamais mettre les doigts
dans les engrenages ou autres pièces mobiles.
Dans le présent document, le générique masculin est utilisé sans aucune discrimination et uniquement dans le but
d’alléger le texte.
Education®
LES MACHINES SIMPLES
Introduction :
LES MACHINES SIMPLES
Informations générales
Ce Guide de l’enseignant a été développé pour vous aider pendant que vos étudiants explorent l’ensemble Introduction
aux machines simples : les engrenages de K’NEX. Les informations et les ressources contenues dans ce guide,
jumelées au matériel K’NEX et au Journal de l’étudiant, vous permettront d’accompagner vos étudiants dans leur
compréhension de concepts scientifiques et de les guider dans leurs recherches à travers des expériences concrètes
et significatives.
Introduction aux machines simples : les engrenages
Cet ensemble de construction K’NEX fait partie d’une série de modèles conçus pour introduire les étudiants à certains
concepts scientifiques. Cet ensemble est axé sur la découverte des principes de base des engrenages. Les étudiants ont
la possibilité d’apprendre en utilisant un matériel simple et une approche basée sur l’enquête scientifique. Le travail
coopératif encourage les étudiants à s’entraider afin de construire, de comprendre, de discuter et d’évaluer différents
principes scientifiques en action.
Le Guide de l’enseignant
Conçu afin de procurer à l’enseignant une variété de ressources, le Guide de l’enseignant lui fournit un glossaire
de concepts-clé et leurs définitions. Il inclut également un aperçu général des concepts associés aux engrenages.
Les objectifs spécifiques de chacun des chapitres y sont identifiés. Ce guide offre aussi des plans et des scénarios
pour présenter chacune des machines simples et les activités qui lui sont associées. La plupart des unités peuvent
être complétées en 30 à 45 minutes. Vous trouverez également des activités supplémentaires pouvant être réalisées
afin d’approfondir un concept en particulier. Nous recommandons aux enseignants de consulter leur programme
afin d’identifier les activités qui leur permettront d’atteindre leurs objectifs.
Le journal de l’étudiant
Il est recommandé que chaque étudiant dispose d’un journal afin de noter les informations relatives à chacune des
expériences. Les étudiants devraient être encouragés à noter leurs hypothèses avant de commencer une activité.
Ces hypothèses pourront être vérifiées selon les découvertes qu’ils feront lors de l’expérience. Ces informations leur
permettront de faire le lien entre les différents concepts étudiés. Ils comprendront plus facilement les modèles construits, les expériences réalisées et pourront relier ces informations au fonctionnement de machines qu’ils utilisent ou
voient fonctionner quotidiennement. Le journal permettra aux étudiants d’apprendre à dessiner des diagrammes
et des plans. Il est aussi un moyen d’évaluation pour l’enseignant. Le Guide de l’enseignant comprend une feuille de
contrôle des journaux et ce, pour chacun des modèles et des activités qui lui sont associées.
TABLE DES MATIÈRES
Objectifs................................................................................................................................................................... 3
Mots-clés et définitions........................................................................................................................................ 3-4
Concepts-clés........................................................................................................................................................ 4-8
Le ventilateur à manivelle.................................................................................................................................. 9-18
La fenêtre de voiture........................................................................................................................................ 19-24
Le mixeur (avec activité supplémentaire pour le batteur à oeuf)................................................................... 25-30
La bicyclette stationnaire................................................................................................................................. 31-34
Matériel reproductible...................................................................................................................................... 35-40
NOTE : L’ensemble Introduction aux Machines simples : les Engrenages de K’NEX Education comprend
également des instructions pour construire les modèles d’un phonographe et d’une scie à chaîne. Ces modèles
peuvent être utilisés pour approfondir certains concepts et améliorer la compréhension du fonctionnement des
systèmes d’engrenages par les étudiants.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
1
2
Les engrenages
LES ENGRENAGES
Informations générales
Objectifs
Les étudiants devront :
1. étudier les caractéristiques des systèmes d’engrenages et en comprendre le fonctionnement.
2. décrire les relations entre les différentes parties d’un système d’engrenages
3. construire différents types de systèmes d’engrenages et démontrer comment ils fonctionnent.
4. comprendre comment les différences de taille des engrenages dans un système affectent la
vitesse et la force générées par ce système.
5. identifier comment un mouvement rotatif se transforme en mouvement linéaire lorsqu’un système d’engrenages est utilisé.
6. identifier comment l’utilisation d’un système d’engrenages affecte le travail en fonction de la
force, de la distance, de la vitesse et de la direction.
7. analyser des objets ou outils selon leur utilisation en tant que systèmes d’engrenages.
Les mots-clés et leurs définitions pour l’enseignant
Ce qui suit est une ressource pour l’enseignant. Selon l’âge, les habiletés, les connaissances de base des étudiants et
le programme de votre cours, vous pourrez choisir d’utiliser certaines des définitions suivantes. Ces mots-clés ne sont
pas présentés comme une liste devant être apprise par coeur par les étudiants. Ils peuvent cependant être utilisés afin
de clarifier les concepts que les étudiants rencontreront en cours de route.
Les machines simples :
Un outil simple qui facilite un travail donné. Les machines les plus simples ne présentent qu’une seule partie mobile.
Elles facilitent un travail en changeant la façon dont ce travail s’effectue. Elles ne changent pas la quantité de travail
requise pour accomplir une action.
La force :
Toute traction ou poussée appliquée à un objet.
L’effort :
La force qui est appliquée pour bouger l’une des composantes d’une machine simple (par exemple : la force appliquée
pour faire un travail).
La résistance :
La force exercée par l’objet (la charge) sur lequel on tente d’accomplir un travail; résiste à l’effort appliqué.
Le travail :
En sciences, le travail réfère à l’usage d’une force pour bouger une charge (un objet) sur une certaine distance.
Le travail se définit ainsi :
T
Où T
F
D
=FxD
= travail
= force (effort) appliquée à la tâche
= distance sur laquelle la force est appliquée
NOTE : Si l’objet ne bouge pas, le travail n’a pas été accompli.
Engrenage :
Une roue dentelée sur sa circonférence extérieure.
Train d’engrenages :
Ensemble constitué de plusieurs engrenages. Lorsqu’un engrenage tourne, ses dents poussent sur les dents de
l’engrenage adjacent et le fait tourner dans la direction opposée.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
3
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Roue menante :
La roue menante est la roue sur laquelle la force est appliquée. Elle transfère l’effort à la roue suivante (dans un train
d’engrenages) qui est la roue menée.
Roue menée :
La roue qui fait bouger la charge.
Roue intermédiaire :
Cette roue fait en sorte que les roues situées de chaque côté d’elle tournent dans la même direction.
L’effet mécanique :
(Les étudiants doivent savoir comment utiliser les fractions.)
Un calcul mathématique indiquant combien de fois une machine simple multiplie la force résultant de l’effort.
Dans le cas de l’engrenage, l’effet mécanique se calcule ainsi :
Nombre de dents sur la roue menée
= Effet mécanique (EM)
Nombre de dents sur la roue menante
Parce que les unités (dents) s’annulent, l’effet mécanique est toujours exprimé comme un nombre sans unité.
Exemple : EM =
16 dents
8 dents
=2
Rapport d’engrenage :
(Les étudiants doivent connaître les fractions et les rapports.)
Rapport entre la vitesse de rotation de la roue menante et celle de la roue menée. Ce rapport peut être calculé en
comparant le nombre de dents de la roue menée au nombre de dents de la roue menante.
Rapport d’engrenage =
Nombre de dents de la roue menée (84)
Nombre de dents de la roue menante (14)
=
6
1
= 6 :1
Roue de chaîne :
Une roue dentée sur laquelle tourne une chaîne.
Chaîne et roue de chaîne :
Système de direction utilisé pour transmettre un mouvement rotatif d’un axe menant à un axe mené. Les mailles de
la chaîne s’emboîtent dans les dents de la roue de chaîne.
LES CONCEPTS-CLÉS
Les informations suivantes résument quelques
concepts-clés associés aux engrenages et sont
présentés à titre de ressource pour l’enseignant.
Vous trouverez peut-être cette information utile
lorsque vous préparerez vos activités en utilisant
l’ensemble Introduction aux machines simples :
les Engrenages de K’NEX Education.
Les engrenages sont utilisés pour transférer
un mouvement et une force d’un point à un
autre. Ce transfert peut s’effectuer directement grâce au contact physique entre les
engrenages d’un train d’engrenages ou sur
une plus grande distance en utilisant une
chaîne ou une courroie reliant deux ou plusieurs engrenages.
Fig. 1
4
Engrenage : Une roue dentelée sur sa circonférence extérieure.
Education®
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
Pour fonctionner correctement, les dents des engrenages doivent s’emboîter ou être reliés par une
courroie ou une chaîne. Un train d’engrenages simple comprend deux ou plusieurs engrenages et
seulement un engrenage sur chaque axe.
L’engrenage sur lequel est appliqué l’effort se nomme la roue menante. Dans le modèle K’NEX du ventilateur à
manivelle, la roue menante est l’engrenage attaché à l’axe de la manivelle. La roue menante transmet la force de
rotation à la roue menée et la fait tourner dans la direction opposée.
La force appliquée à la roue menante est la force d’approvisionnement; la roue menée produit la force de puissance.
Faits utiles à propos des engrenages : Dans un train d’engrenages simple constitué de deux engrenages de
même taille, la roue menée tourne à la même vitesse que la roue menante, mais dans la direction opposée.
Les systèmes d’engrenages peuvent faciliter un travail :
Les systèmes d’engrenages peuvent faciliter un travail en rendant une charge plus facile à déplacer.
Voici de quelles façons :
Transférer le mouvement et la force d’un endroit à un autre. Lorsqu’une force de torsion, ou effort de serrage, est appliquée à la roue menante, les dents transfèrent la force et le mouvement aux dents de la roue
menée adjacente. Un exemple de cette application peut être observée dans une essoreuse à salade.
Charge
Roue menante
Roue menée
Effort
Fig. 2
Changer la direction d’un mouvement rotatif. Les engrenages adjacents dans un train d’engrenages tournent dans des directions opposées les unes aux autres. Dans les trains d’engrenages composés d’un nombre
impair d’engrenages, cependant, la direction du mouvement rotatif de la roue menée est la même que celle
du mouvement rotatif de la roue menante. Un exemple de ce mécanisme peut être observé dans
le cas d’un batteur à oeuf ou d’un mécanisme d’horlogerie.
Roue intermédiaire
Roue menante
Roue menée
Fig. 3
Train d’engrenages composé d’un nombre impair d’engrenages.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
5
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Multiplier la force appliquée pour accomplir un travail. En utilisant différentes tailles d’engrenages ou
de roues de chaîne reliés par une chaîne ou une courroie, on affecte la force de puissance de la roue menée.
Un petit engrenage menant un engrenage plus grand multiplie la force aux dépens de la vitesse.
(Pour utiliser cette formule, les étudiants doivent comprendre
les fractions et les rapports.)
EM =
Nombre de dents sur la roue menée
Nombre de dents sur la roue menante
=
24
8
Lorsque l’effet mécanique est supérieur à 1,
l’effort est multiplié par le système d’engrenages.
Fig. 4
Changer la vitesse produite par un système.
En utilisant différentes tailles d’engrenages
dans un train d’engrenages
ou de roue de chaîne reliés par une chaîne
ou une courroie, on affecte la vitesse de la
roue menée.
• Accélération
Une grande roue menante actionnant une roue menée plus petite augmente la vitesse de rotation
de l’axe de la roue menée.
(Pour utiliser cette formule, les étudiants doivent comprendre les fractions et les rapports.)
Par exemple : Une roue menante possédant 84 dents effectuera un tour complet pour chaque 6
tours effectués par une roue menée de 14 dents. Le rapport d’engrenage est donc de 1 :6, indiquant que la vitesse produite est 6 fois plus élevée que la vitesse de départ. C’est ce qu’on appelle
l’amplification par engrenage. L’amplification par engrenage augmente la vitesse de rotation mais
diminue la force.
6
Education®
LES MACHINES SIMPLES
=3
LES ENGRENAGES
• Décélération
Une petite roue menante actionnant une roue menée plus grande ralentit la vitesse de rotation
de l’axe de la roue menée.
Par exemple : Une roue menante de 14 dents accomplit 6 tours complets pour chaque tour effectué par une roue menée de 84 dents. Le rapport d’engrenage est de 6 : 1, indiquant que la vitesse
fournie par la roue menante est 6 fois plus rapide que la vitesse produite par la roue menée. C’est
ce qu’on appelle la démultiplication.
La démultiplication diminue la vitesse de rotation, mais augmente la force.
RAPPELEZ-VOUS : lorsque quelqu’un conduit un véhicule, il doit changer les vitesses en ordre croissant (1ère,
2e, 3e, 4e…) pour accélérer et en ordre décroissant (4e, 3e, 2e, 1ère) pour décélérer.
Types d’engrenages
Engrenages droits : Ces engrenages sont disposés sur
un même plan et tournent dans
des directions opposées lorsqu’ils
sont reliés. Les engrenages de tailles
différentes tournent à des vitesses
différentes et selon des forces
variées.
Roues de chaîne : Ce type
d’engrenage spécial est constitué
de deux engrenages disposés sur
un même plan, séparés l’un de
l’autre, mais reliés par une chaîne.
Les roues de chaîne tournent dans
la même direction. Les engrenages
de tailles différentes tournent à des
vitesses différentes, selon des forces
variées. Lorsqu’elles ont la même
taille, les roues de chaîne tournent
à la même vitesse selon la même
force.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
7
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Roue plate : Ces engrenages sont disposés à angle droit l’un de l’autre. Les engrenages de tailles différentes tournent à des vitesses différentes, selon des forces variées.
Engrenage à crémaillère : Ce type
d’engrenage est constitué d’une tige dentée
et d’une roue dentée. L’engrenage à crémaillère transforme un mouvement circulaire en un mouvement linéaire.
Engrenage à vis sans fin : Ce type d’engrenage est constitué d’un cylindre spiralé (vis sans fin) et
d’une roue dentée appelée la roue à vis sans fin. La vis sans fin et la roue à vis sans fin tournent dans
des directions différentes, à des vitesses différentes et selon des forces différentes. La roue à vis sans fin
tourne plus lentement que la vis sans fin. La roue à vis sans fin ralentit normalement un mouvement.
Visitez le site http ://science.howstuffworks.com/gear.htm
(en anglais seulement) pour observer des animations d’engrenages.
8
Education®
LES MACHINES SIMPLES
Le ventilateur à manivelle :
LES ENGRENAGES
Le ventilateur
à manivelle
Un exemple de l’utilisation d’un système à engrenages droits
Objectifs
Les étudiants devront :
1. comprendre et décrire le transfert du mouvement grâce à un système à engrenages droits.
2. étudier la relation entre la taille des engrenages, la vitesse de rotation et la force.
Matériel
Chaque équipe aura besoin de :
Vous aurez besoin de :
- 1 ensemble Introduction aux Machines
Simples : les Engrenages de K’NEX Education
et le Livret d’Instructions
- Photographies et exemples de différents systèmes
à engrenages droits : boîte à musique, ventilateur électrique, ouvre-boîte manuel, jouet fonctionnant grâce à
un engrenage…
- Ruban-cache
- Autocollants ronds (facultatif)
- Un Journal de l’étudiant pour chacun d’eux
- Engrenages K’NEX pour examiner avant l’expérience :
enlevez 4 engrenages dans chacun des ensembles
de façon à ce que chaque étudiant ait 2 engrenages
à manipuler
- 2 balles de caoutchouc (facultatif)
- bâtons de sucettes glacées et carton (facultatif)
NOTE : Cette activité pourrait prendre plus de 45 minutes à réaliser.
Procédure
Introduction
Si cette activité constitue une première expérience des engrenages pour vos étudiants, vous devriez peut-être
d’abord leur démontrer ce qu’est un transfert d’énergie en utilisant deux balles. Demandez à quelqu’un de faire
rouler la première balle sur la seconde. Demandez aux autres de décrire leurs observations. Grâce aux questions
suivantes, aidez-les à identifier précisément ce qui s’est produit.
Quel effet la première balle a-t-elle eu sur la seconde?
La première balle a poussé la seconde.
Quand la poussée a-t-elle eu lieu?
La première balle a poussé la seconde
lorsqu’elles sont entrées en contact.
Qu’est-ce qui s’est transféré d’une balle à l’autre?
Mouvement, énergie, force.
Distribuez deux engrenages à chaque étudiant. Demandez-leur de penser à la façon dont ils décriraient un
engrenage et d’observer comment ces engrenages peuvent fonctionner ensemble.
Commencez la leçon en discutant et en approfondissant
ce qu’ils auront découvert par eux-mêmes. Vous pouvez
accepter leurs définitions, ou leur en présenter une déjà
formulée.
www. k nexeduc at ion. c om
Les engrenages sont des roues dentées sur
leur circonférence externe. Les dents d’un
engrenage s’emboîtent avec celles de l’autre
engrenage.
Education®
9
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Expliquez que les engrenages sont
des machines simples qui transfèrent
l’énergie sous forme de mouvement
d’un endroit à un autre. Utilisez un
jouet ou un train d’engrenages que vous
aurez construit afin de démontrer ce qui
se produit lorsque vous actionnez un
engrenage en contact avec un autre.
Suggestion : Construisez un train d’engrenages grâce à des
cercles de carton de même dimension et quelques bâtons de
sucettes glacées. Assurez-vous que les bâtons soient égaux
tout autour des cercles. Placez les cercles sur un plus grand
morceau de carton en prenant soin que les dents des engrenages puissent bien s’emboîter.
Distribuez des morceaux de ruban adhésif ou des autocollants. Demandez aux étudiants de placer un petit
morceau de papier (ou un autocollant) sur chacun des engrenages K’NEX afin de déterminer la direction du
mouvement. Demandez-leur de déposer les engrenages sur un morceau de papier sur leur bureau de façon à
emboîter les dents. Un des étudiants de chaque équipe doit maintenir un engrenage en place grâce à un crayon
pointé au centre, pendant que l’autre fait tourner l’autre roue.
Demandez-leur de quelle façon ils ont
réussi à faire tourner le deuxième engrenage, seulement en actionnant
le premier.
Lorsqu’une roue tourne, ses dents poussent contre les dents
de l’autre roue. Voir le schéma ci-dessous.
Demandez aux étudiants de déterminer combien d’engrenages peuvent être utilisés dans un train d’engrenages.
Ils doivent dessiner leur train d’engrenages et dessiner la direction du mouvement pour chacune des roues.
Voici une excellente opportunité pour introduire les termes formels que les étudiants utiliseront pendant
les expériences. Cette activité permet l’introduction des concepts de roue menante, roue menée et train
d’engrenages.
Demandez aux étudiants de décrire
dans quelle direction chacun de leurs
engrenages tourne.
Si le premier engrenage tourne dans une direction, il
poussera l’autre dans la direction opposée.
Demandez aux étudiants de penser à d’autres exemples d’engrenages utilisés dans la vie quotidienne. Plusieurs
identifieront l’engrenage sur une bicyclette. Vous aurez ainsi l’opportunité d’expliquer qu’il existe différents types
de systèmes d’engrenages utilisés pour différentes raisons. Par exemple, l’engrenage d’une bicyclette est différent
de celui d’un ouvre-boîte manuel.
Faites circuler un ouvre-boîte manuel dans la classe. Permettez aux étudiants de l’observer pendant
quelques minutes.
Demandez aux étudiants de dresser rapidement une liste d’objets fonctionnant grâce aux engrenages. Inscrivez
les résultats au tableau. Préparez quelques exemples au cas où les étudiants ne parviendraient pas à nommer
tous les types de systèmes d’engrenages.
10
Education®
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
Vous voudrez peut-être introduire le concept de mouvement et utiliser des termes formels pour décrire les types
de mouvements utilisés par les étudiants dans les activités précédentes. Voici certains de ces termes : mouvement d’approvisionnement (la main de l’étudiant actionnant le premier engrenage), mouvement de puissance (le
mouvement du deuxième engrenage causé par le mouvement d’approvisionnement), mouvement rotatif (tourner
autour d’un point), mouvement linéaire (mouvement en
ligne droite). Pour rendre ces deux derniers mouvements
plus clairs, donnez un exemple concret aux étudiants.
Le ventilateur
à manivelle
Le mouvement fait référence au
changement de position d’un objet
dans un laps de temps donné, en
relation à un point de référence.
Divisez la classe en équipes de 2 ou 3 étudiants.
Activité de construction
Distribuez un ensemble K’NEX Education Introduction aux Machines Simples : les Engrenages à chacune des
équipes. Demandez aux étudiants de sortir le Livret d’Instructions. Si vous utilisez un ensemble K’NEX pour
la première fois, voyez avec eux la page des Conseils de construction, particulièrement l’information à propos
des connecteurs violets. Accordez une brève période de temps aux étudiants afin qu’ils explorent un peu le
matériel. En manipulant d’abord les pièces, ils seront plus habiles lors de la construction. Assurez-vous que
les engrenages distribués précédemment soient replacés dans l’ensemble.
Donnez quelques consignes afin d’éviter de perdre des pièces. Rappelez aux étudiants qu’ils disposeront de 5
minutes à la fin de la période pour ranger..
Expliquez que le modèle à construire est celui d’un ventilateur à manivelle. Demandez aux étudiants
d’observer la photographie à la page 2 du Livret d’Instructions.
Demandez aux étudiants de construire le modèle en suivant les étapes dans le Livret d’Instructions.
Conseil pour la construction :
Pour prévenir que les deux axes rouges se désajustent, nous recommandons d’ajouter des connecteurs gris (il
s’agit de petites pinces – d’environ 2,5 cm de long – munies d’une extrémité circulaire fermée à travers laquelle
une tige peut passer et d’une extrémité ouverte dans laquelle une tige peut être pincée). Ces connecteurs peuvent
êtes ajoutés à ces endroits :
1.
À l’extrémité libre de l’axe de la pale supérieure du ventilateur.
2.
De chaque côté des connecteurs gris déjà en place sur l’axe inférieur ou sur l’axe de la manivelle.
Activité de découverte : Comment le mouvement est-il transféré à travers un
système d’engrenages droits?
Utilisez les consignes suivantes pour guider les étudiants.
Étapes
1.
(a) Lorsque les modèles sont terminés, permettez aux étudiants de les observer pendant quelques minutes.
Demandez-leur d’identifier les engrenages. Ils devraient observer le mécanisme d’engrenages qui s’actionne
lorsqu’ils tournent la manivelle.
(b) Demandez-leur d’identifier d’autres
machines simples qui pourraient
composer le ventilateur.
www. k nexeduc at ion. c om
Si votre classe a déjà étudié les roues et les axes, vous pourrez profiter de quelques instants pour faire une
brève révision.
Education®
11
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
(c) Demandez aux étudiants d’expliquer comment le système d’engrenages actionne les pales du ventilateur.
Aidez-les à comprendre que les engrenages s’emboîtent l’un dans l’autre et qu’ils sont alignés ensemble.
Rappelez aux étudiants leur première expérience faite avec les deux engrenages. Expliquez qu’il s’agit du
même type d’agencement, c’est-à-dire un système d’engrenages droits, les engrenages s’emboîtent sur une
ligne droite ou sur un même plan. Dans ce modèle, les engrenages sont superposés. Demandez aux étudiants
de tourner leur modèle de façon à obtenir le même arrangement que dans leur expérience précédente.
2.
(a) Demandez aux étudiants de dessiner un schéma du ventilateur dans leur Journal. Les engrenages peuvent
être représentés symboliquement – il n’est pas nécessaire que toutes les dents d’une roue soient dessinées.
Par exemple :
Axe ou tige
Les cercles qui
s’entrecoupent représentent les liens entre les
engrenages
(b) Demandez aux étudiants de nommer les différentes parties de leur modèle en inscrivant les noms sur
leur schéma :
manivelle, roue menante, roue menée et pales du ventilateur.
3.
Demandez aux étudiants de répondre aux questions suivantes dans leur Journal :
• Est-ce que le ventilateur possède des
parties mobiles? Si oui, nommez-les.
Manivelle, roue menante, roue menée, pales.
• Décrivez comment les parties
mobiles sont reliées entre elles.
La manivelle est reliée à la roue menante par un axe.
Les dents de la roue menante s’emboîtent avec celles de
la roue menée, qui est reliée aux pales du ventilateur
par un axe.
• Décrivez le mouvement
d’approvisionnement – le mouvement utilisé pour actionner la
manivelle.
Le mouvement d’approvisionnement est circulaire ou
rotatif. Ils doivent faire un cercle avec leur main..
• Décrivez le mouvement des engrenages.
Les engrenages tournent.
• Dessinez des flèches sur votre
schéma pour montrer les directions dans lesquelles chacune des
parties tourne pour faire fonctionner le ventilateur.
12
Education®
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
4.
Le ventilateur
à manivelle
Demandez aux étudiants d’attacher un petit morceau de ruban adhésif à l’extrémité d’une
des pales et de le prendre comme point de référence pendant que le ventilateur fonctionne.
Demandez-leur de tourner la manivelle.
(a) Demandez aux étudiants de tourner la manivelle d’un tour. Ils peuvent ensuite continuer, mais en variant
la vitesse de rotation.
Comment peuvent-ils faire tourner
le ventilateur plus ou moins rapidement?
(b) Suggérez de coller un autocollant
ou un morceau de ruban adhésif
sur les engrenages. L’autocollant
doit se trouver au point de rencontre des deux engrenages.
Ensuite, demandez aux étudiants
d’actionner la manivelle. Que
remarquent-ils?
(c) Les étudiants devraient noter
dans leur Journal leurs observations à propos de la
taille des engrenages.
(d) Croient-ils qu’il peut exister
une relation entre la taille des
engrenages et leurs observations
en b) ?
(e) Demandez aux étudiants de
tourner la manivelle d’un tour,
mais cette fois, en observant les
pales du ventilateur. Sur quelle
distance se déplacent-elles? Un
étudiant peut compter le nombre
de fois que le ruban adhésif passe
devant le point de référence, pendant que l’autre se concentre à
n’effectuer qu’un tour de manivelle.
Ils doivent observer que la vitesse du ventilateur dépend entièrement de la vitesse de rotation de la manivelle.
Les deux engrenages complètent une rotation en un tour
de manivelle.
Ils ont la même taille.
Les étudiants doivent comprendre que les deux engrenages,
puisqu’ils ont la même taille et sont reliés, tournent à la
même vitesse, même s’ils sont situés sur des axes différents.
Les pales du ventilateur font aussi un tour complet en un tour
de manivelle.
(f) Est-il facile ou difficile de tourner
la manivelle avec cette combinaison
d’engrenages?
Note : Cette question engendrera des réponses subjectives,
mais les étudiants pourront s’en servir comme point de
référence pour les expériences suivantes.
(g) Demandez aux étudiants de résumer leurs observations à propos de la
distance parcourue par les engrenages et les pales en un tour de
manivelle.
Les étudiants doivent remarquer que toutes les parties
mobiles ne tournent qu’une seule fois grâce à un tour
de manivelle.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
13
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
NOTE : Nous recommandons que deux équipes travaillent ensemble pour les prochaines étapes. Un groupe doit
construire un modèle dans lequel la roue menante est plus grande, et l’autre équipe, un modèle dans lequel
la roue menante est petite. Les deux équipes pourront ensuite comparer leurs résultats.
5.
(a) Demandez aux étudiants d’émettre certaines hypothèses sur l’utilisation de
(i)
une grande roue menante pour actionner une petite roue menée
(ii) une petite roue menante pour actionner une grande roue menée.
Leurs hypothèses doivent être inscrites dans leur Journal.
(b) Demandez aux étudiants de vérifier leurs hypothèses en reconstruisant leur modèle grâce aux instructions
de la page 3 du Livret d’Instructions.
(c) Demandez-leur de penser à une
façon de comparer la vitesse à
laquelle le ventilateur tourne avec
la vitesse de la manivelle, lorsque
la grande roue est attachée à la
manivelle et la petite au ventilateur.
Utilisez la technique vue à l’étape 4 – placez un morceau
de ruban adhésif sur l’une des pales et observez combien
de fois le ruban passe devant son point de départ lorsque la
manivelle est tournée une fois.
(d) Est-il facile ou difficile d’actionner
la manivelle avec cet arrangement
comparé à l’arrangement précédent
(lorsque les engrenages sont de la
même taille)?
Les étudiants doivent remarquer que lorsqu’un grand
engrenage actionne un petit, le ventilateur tourne plus rapidement que la manivelle : un tour de manivelle équivaut
environ à 6 tours des pales. La manivelle est cependant plus
difficile à actionner ainsi.
Leurs observations doivent être inscrites dans leur Journal.
(e) Les étudiants doivent maintenant comparer la vitesse à laquelle le ventilateur tourne à celle à laquelle
la manivelle tourne, lorsque le petit engrenage est attaché à la manivelle et le grand engrenage est attaché
à l’axe des pales.
(f) Est-il plus facile ou difficile de tourner la manivelle avec cet arrangement, en comparant avec les engrenages
1) de même taille?
2) de tailles différentes
Les étudiants doivent observer que lorsque le petit engre(grande roue menante)?
nage actionne le grand, le ventilateur tourne plus lentement
que la manivelle : il faut 6 tours de manivelle pour que le
Les observations doivent être
ventilateur accomplisse un tour complet. La manivelle est
notées dans le Journal.
plus facile à actionner de cette façon.
6.
(a) Discutez avec les étudiants de leurs observations relatives à l’utilisation d’engrenages de tailles différentes.
(b) Demandez aux étudiants si leurs observations concordent avec les hypothèses émises avant l’expérience.
14
Education®
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
Le ventilateur
à manivelle
Mise en application
Révisez les résultats de l’étape 3 avec la classe :
La manivelle et l’engrenage placé
sur son axe bougent-ils à la même
vitesse?
Ils tournent à la même vitesse : un tour de manivelle permet
à l’engrenage situé sur son axe de tourner une fois.
Avez-vous remarqué les mêmes
résultats en utilisant un engrenage
plus grand? Un engrenage plus petit?
Oui. Même si les engrenages sont de tailles différentes, s’ils
sont sur un même axe, ils tournent à la même vitesse.
Lorsque vous actionnez le ventilateur en utilisant deux engrenages de la même taille, lequel de ces énoncés
est vrai?
La roue menante tourne plus rapidement que la roue menée.
La roue menée tourne plus rapidement que la roue menante.
Elles tournent toutes les deux à la même vitesse.
Elles tournent à la même vitesse : une rotation de la roue
menante implique une rotation de la roue menée.
Demandez à la classe de résumer les résultats à propos du ventilateur fonctionnant grâce à des engrenages de
même taille en répondant aux questions suivantes :
Les engrenages situés sur un même axe tournent à la
__________________
__________________
Les engrenages reliés ensemble et de la même
taille tourne à la
__________________
même vitesse
__________________
Dans le ventilateur à manivelle, toutes les parties
mobiles tournent à la
__________________
même vitesse
même vitesse; même taille
__________________
parce que la roue menante et la roue menée sont de la
__________________
__________________
Demandez aux étudiants d’inscrire
les avantages et les désavantages
de chacun des deux systèmes
d’engrenages expérimentés à l’étape 4.
Tourner la manivelle était plus facile lorsque le petit engrenage actionnait le grand. Cependant, le ventilateur tournait
plus lentement que la manivelle. Même si la manivelle était
plus difficile à actionner lorsque le grand engrenage faisait
tourner le petit, le ventilateur tournait plus rapidement que
la manivelle.
Discutez en classe de situations
où chacun de ces systèmes serait
plus utile. Demandez aux étudiants
d’inclure les termes “ effort”, “roue
menante” et “roue menée” dans
leurs réponses.
Les réponses peuvent varier. Exemple de réponse : Une
petite roue actionnant une grande roue serait plus utile
si l’objet à déplacer était lourd. L’effort nécessaire pour
déplacer cet objet serait moins grand si la roue menante
était plus petite que la roue menée.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
15
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Pour aller plus loin
(Les niveaux suggérés sont indiqués.)
[pour les 3 ou 4e année]
1. Suggérez que les étudiants cherchent sur internet plus d’informations à propos des systèmes d’engrenages.
Il suffit d’entrer le terme engrenage dans un moteur de recherche.
[pour les 5e année]
2. (a) Rappelez aux étudiants qu’ils ont utilisé une méthode extrêmement simple pour déterminer les vitesses
d’approvisionnement et de puissance aux étapes 4 e, 5c et 5e. Expliquez qu’ils ont trouvé ainsi le rapport
d’engrenage de leur système.
(b) Expliquez qu’une approche plus précise est de comparer les résultats en comptant le nombre de dents sur
chaque engrenage. Inscrivez l’équation du rapport d’engrenage au tableau afin que toute la classe puisse
la voir.
Rapport d’engrenage =
Nombre de dents de la roue menée
Nombre de dents de la roue menante
Par exemple : 14/84 donne un ration de 1/6 ou 1 :6
Expliquez qu’un ration de 1 :6 signifie que pour chaque révolution complète de la roue menante, la roue
menée effectue 6 tours complets. Ou, autrement dit, que la vitesse de puissance est plus rapide que la vitesse
d’approvisionnement.
[3 à 5e année]
3. (a) Demandez aux équipes de retirer les pales du ventilateur et de les laisser de côté.
(b) Divisez les équipes afin que la moitié d’entre elles ait en main un modèle où la roue menante est plus
grande que la roue menée. L’autre moitié doit avoir en main le modèle contraire. Les étudiants n’ont pas
besoin de désassembler leur modèle. Demandez-leur d’attacher la manivelle à la tige appropriée. (Voir
le schéma ci-dessous.) Afin d’observer la vitesse de rotation du second engrenage dans le système, les étudiants doivent attacher un Connecteur jaune à l’extrémité de l’axe de ce même engrenage. (Ce Connecteur
remplace les pales qui, si elles étaient utilisées sur l’axe inférieur, frapperaient le bureau.)
Premier arrangement : La manivelle est
placée sur l’axe supérieur. Le Connecteur
jaune se trouve à l’extrémité de l’axe inférieur.
16
Education®
Deuxième arrangement : La manivelle est
placée sur l’axe inférieur. Le Connecteur jaune
se trouve à l’extrémité de l’axe supérieur, à
l’endroit où les pales se trouvaient.
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
Le ventilateur
à manivelle
[5e années]
(c) Demandez aux étudiants de déterminer le rapport d’engrenage de leur ventilateur. Ils devraient
inscrire ce rapport dans leur Journal et décrire, dans leurs mots, ce que le rapport d’engrenage
signifie par rapport à leur ventilateur.
(d) Demandez-leur quel est l’avantage de ce train d’engrenages. S’ils ont besoin d’un indice, demandez-leur
s’il tourne plus ou moins facilement. Prenez cette opportunité pour faire comprendre aux étudiants qu’ils
ne peuvent utiliser une machine pour gagner à la fois en force et en vitesse. Ils peuvent gagner de la vitesse
aux dépens de la force, ou gagner de la force aux dépens de la vitesse. Si vous décidez d’inclure ceci, le tableau ci-dessous permettra aux étudiants d’inscrire leurs résultats.
[5e année]
4. Les équipes peuvent échanger leurs modèles et répéter l’étape (d).
[5 e année]
5. Demandez aux étudiants d’organiser leurs observations et conclusions à propos des engrenages dans un
tableau. Proposez-leur un tableau comme celui-ci.
Vitesse du train
d’engrenages
Vitesse du
ventilateur vs vitesse
de la manivelle
Rapport d’engrenage
(approximatif)
Augmentation de la
vitesse de puissance ou
de la force de puissance
Engrenages de même
taille
Grande roue menante
actionnant une petite
roue menée
Petite roue menante
actionnant une grande
roue menée
[4 et 5e année]
6. Demandez aux étudiants de
penser à une façon d’améliorer
la conception du ventilateur pour
que la manivelle et le ventilateur
tournent dans la même direction.
Si nécessaire, aidez-les en mentionnant qu’ils auront à ajouter
quelque chose à leur mécanisme.
Profitez de l’occasion pour
introduire le concept de roue intermédiaire.
La manivelle et le ventilateur tourneront dans la même
direction si un troisième engrenage – un engrenage intermédiaire – était ajouté au train d’engrenages entre la roue
menante et la roue menée.
Accordez quelques minutes aux étudiants pour vérifier leurs hypothèses.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
17
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Vérification du Journal
Les étudiants doivent inscrire leurs observations et les résultats de leurs expériences dans leur Journal individuel.
Voici ce qu’ils devraient y avoir inscrit.
4
Schéma du ventilateur, identifications des parties et flèches montrant la direction du mouvement.
4
Diverses observations.
4
Hypothèses.
4
Conclusions.
4
Tableau résumant leurs expériences.
Vitesse du train
d’engrenages
18
Vitesse du
ventilateur vs vitesse
de la manivelle
Engrenages de même taille
Les vitesses sont équivalentes
Grande roue menante
actionnant une petite roue
menée
La vitesse du ventilateur
est plus grande que celle
de la manivelle
Petite roue menante
actionnant une grande roue
menée
La vitesse du ventilateur
est plus lente que celle
de la manivelle
Education®
Rapport d’engrenage
(approximatif)
Augmentation de la
vitesse de puissance ou
de la force de puissance
1 :1
Aucun changement
1 :6
Augmentation de la
vitesse de puissance
6 :1
Augmentation de la force
de puissance
LES MACHINES SIMPLES
La fenêtre de voiture :
LES ENGRENAGES
La fenêtre
de voiture
Un exemple de système d’engrenages droits utilisé pour convertir
un mouvement rotatif en mouvement linéaire
Objectifs
Les étudiants devront :
1. construire et comprendre le mécanisme d’un modèle représentant un objet utilisé dans la
vie quotidienne.
2. observer comment un mouvement rotatif est converti en mouvement linéaire en utilisant
un système d’engrenages droits.
3. explorer les engrenages droits comme moyen de multiplier une force produite par un système.
Matériel
Chaque équipe aura besoin de :
- 1 ensemble Introduction aux Machines Simples :
les Engrenages de K’NEX Education ainsi que le
Livret d’Instructions
- quelques autocollants ronds ou morceaux de
ruban adhésif
- un Journal de l’étudiant pour chaque étudiant
Procédure
Introduction
Si vos étudiants ont déjà étudié le
modèle du ventilateur, demandez-leur
comment le mouvement était transmis
dans le système du ventilateur.
Rappelez aux étudiants qu’un système
à engrenages droits était utilisé pour
changer la vitesse et la direction des
pales du ventilateur. Demandez-leur
de décrire un système d’engrenages
droits et d’expliquer comment le rapport d’engrenage d’un tel système
affecte les mouvement du ventilateur.
Demandez-leur d’utiliser le terme
“train d’engrenages” dans leur réponse.
Expliquez aux étudiants qu’ils découvriront,
en construisant le modèle de la fenêtre de
voiture, que tous les systèmes d’engrenages
droits n’impliquent pas la production d’un
mouvement rotatif. Mais, avant de commencer l’activité, chacun devrait imaginer comment il pourrait expliquer le fonctionnement d’une fenêtre de voiture à
un voyageur venant de l’année 1800.
Demandez à quelques étudiants de formuler
une réponse. S’ils vous disent qu’il faut
appuyer sur un bouton, expliquez que ce
mécanisme est récent et que plusieurs voitures fonctionnent encore grâce à un système
de manivelle.
www. k nexeduc at ion. c om
Le mouvement rotatif de la manivelle se transmet à travers
le mouvement rotatif des engrenages pour faire tourner les
pales du ventilateur.
Dans un système d’engrenages droits, les engrenages sont
reliés et tournent sur le même plan. La vitesse des pales
dépend de l’arrangement de différentes tailles d’engrenages
dans le train d’engrenages. Puisque le système comprend
deux engrenages, les pales tournent dans la direction opposée à celle de la manivelle.
Suggérez-leur de regarder la photographie à la page 4
du Livret d’Instructions.
Education®
19
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Demandez aux étudiants d’expliquer la
notion de travail.
Les étudiants devraient pouvoir fournir une réponse adéquate similaire à celle fournie à la page 3 de ce Guide.
Expliquez qu’ouvrir une fenêtre de voiture demandait habituellement d’abaisser ou de descendre la fenêtre manuellement. [Faites le mouvement pour qu’ils comprennent.] Demandez aux étudiants d’identifier le type de mouvement requis pour manipuler la poignée de la fenêtre (mouvement rotatif). Expliquez que ce mouvement rotatif est le
mouvement d’approvisionnement.
Faites comprendre aux étudiants
que peu importe s’ils appuient sur
un bouton ou qu’ils tournent une
manivelle, le mouvement produit est
le même. Demandez-leur d’identifier
ce mouvement.
De haut en bas, ou mouvement linéaire.
Expliquez aux étudiants qu’ils découvriront le mécanisme permettant l’ouverture ou la fermeture d’une fenêtre
de voiture. Grâce à cette expérience, ils découvriront qu’un système d’engrenages droits peut transformer un
mouvement rotatif en mouvement linéaire.
Divisez la classe en équipes de 2 ou 3 étudiants.
Activité de construction
Distribuez un ensemble Introduction aux Machines Simples : les Engrenages de K’NEX Education à chaque
équipe.
Demandez aux étudiants d’observer les pages 4 et 5 du Livret d’Instructions et de construire le modèle de la
fenêtre de voiture. Nous recommandons qu’un étudiant construise les étapes 1 à 5 et l’autre les étapes 6 à
9.Si les équipes comportent plus de 2 membres, demandez au troisième de construire les étapes 10 à 12. Les
étudiants devraient s’aider à assembler les différentes parties du modèle. Par exemple, joindre l’étape 4 aux
étapes 1, 2 et 3 pourrait demander plus d’une paire de mains.
Conseil de construction
À l’étape 3, faites particulièrement attention à l’emplacement de la tige bleue (celle dont une extrémité est libre)
à l’intérieur du connecteur blanc.
Activité de découverte : Comment les engrenages convertissent-ils un mouvement rotatif en mouvement linéaire?
Étapes
1.
(a) Lorsque les étudiants ont
complété les modèles, accordezleur quelques minutes pour
les observer. Demandez-leur de
trouver et d’identifier (1) les trains
d’engrenages dans leur modèle et
(2) les types de machines simples
utilisés.
Engrenages droits, roue et axe, levier.
(b) Chaque groupe devrait observer comment le mécanisme fonctionne. Au tableau, inscrivez quelques indices pour alimenter leurs recherches et leurs discussions :
• Comment le mécanisme fonctionne-t-il?
• Quelles sont les parties mobiles?
• Quel type de mouvement est appliqué à la manivelle bleue?
20
Education®
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
La fenêtre
de voiture
• Décrivez le mouvement de la fenêtre (le mouvement produit).
• Pourquoi utilise-t-on un petit engrenage comme roue menante pour actionner une grande
roue menée?
• Comment peut-on contrôler la vitesse produite par le mécanisme?
• Pourquoi la poignée tourne-t-elle plusieurs fois alors que la fenêtre monte ou descend très lentement?
Les étudiants doivent inscrire leurs réponses dans leur Journal.
2.
Comme activité de groupe, révisez les étapes qui se produisent entre le moment où l’on tourne la poignée
et celui où la fenêtre se ferme. Demandez à quelques volontaires de nommer ces étapes en utilisant cette
phrase comme point de départ :
“ En tournant la poignée dans le sens des aiguilles d’une montre, on affecte …”
Inscrivez les étapes au tableau.
Révisez avec les élèves les hypothèses émises en 1 b).
3.
Révisez en quoi les machines simples peuvent faciliter un travail – elles multiplient la force appliquée ou
augmente la distance ou la vitesse du mouvement de la résistance. Rappelez aux étudiants que la force et la
distance ne peuvent être augmentées en même temps.
La prochaine activité peut être réalisée en groupe.
4.
(a) Abaissez la fenêtre de voiture au maximum, ensuite donnez un tour complet de manivelle pour monter
la fenêtre.
(i) Lorsque vous tournez la
manivelle d’un tour complet,
combien de tours effectue le
premier engrenage (celui de
14 dents)? Marquez un point
de repère sur l’engrenage
et comptez de combien de
dents il s’est déplacé pour un
tour de poignée.
L’engrenage fait un tour complet.
Les étudiants doivent inscrire leurs réponses dans un tableau (voir ci-dessous).
(ii) Faites le même calcul pour
l’engrenage de 34 dents.
(iii) Selon vos réponses précédentes, quel engrenage
tourne le plus vite?
(iv) [pour 5e année seulement]
En utilisant vos connaissances
du rapport d’engrenage, qu’estce qui est gagné ou multiplié
pendant que l’effort se transmet dans le premier train
d’engrenages?
(v) Comment la force est-elle
transmise au second train
d’engrenages? Comment ces
deux trains sont-ils reliés
www. k nexeduc at ion. c om
Cet engrenage tourne sur environ 14 dents, donc un peu
moins d’un demi-tour.
La roue menante.
Les étudiants devraient répondre que la roue menée tourne
plus lentement que la roue menante. Cependant, si elle
perd de la vitesse, elle gagne de la force.
La force se transmet le long de l’axe reliant la grande roue
menée du premier train d’engrenages à la petite roue
menante du second.
Education®
21
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Tableau des données 1
1er train d’engrenages
Engrenage marron (14 dents)
Engrenage jaune (34 dents)
Type d’engrenage (roue menante/
menée)
Menante
Menée
Effet d’une rotation de la poignée
bleue sur les engrenages
1 rotation complète (14 dents)
Moins d’un demi-tour (14 dents)
Engrenage le plus rapide
Force multipliée
4
La vitesse se perd dans le transfert
4
(b) Placez un autocollant sur l’une des dents du deuxième engrenage marron (14 dents) qui partage le même
axe que l’engrenage jaune. Essayez de placer l’autocollant de façon à ce qu’il soit aligné avec celui placé
sur l’engrenage jaune.
(i) Tournez la poignée bleue
d’une rotation complète et
remarquez de combien de
tours les engrenages jaune
et marron se déplacent. Vous
pouvez compter le nombre
de dents, ou considérer le
mouvement comme celui
des aiguilles d’une horloge.
Par exemple, l’engrenage se
déplace de 9 heures à 2 heures.
Les étudiants doivent inscrire
leurs réponses dans le tableau
suivant.
(ii) Puisque les engrenages
jaune et marron ne sont pas
de la même taille, comment
expliquez-vous votre résultat
ci-dessus?
22
Education®
Les étudiants devraient remarquer que les deux
engrenages effectuent un peu moins de la moitié d’une rotation complète.
Aidez les étudiants à comprendre que malgré leur différence
de taille, les engrenages effectuent la même proportion d’un
cercle parce qu’ils sont situés sur un même axe.
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
La fenêtre
de voiture
(c) Placez un autocollant sur l’engrenage de 82 dents. Abaissez encore une fois la fenêtre et tournez
la poignée d’une rotation complète pour fermer la fenêtre. Observez l’engrenage et comptez le
nombre de dents parcourues pendant la rotation.
(i) Combien de dents ont été
parcourues? En comparaison
avec les autres engrenages, à
quel vitesse tourne-t-il?
(ii) Qu’est-ce qui est gagné
en utilisant cette très grande
roue?
Il tourne d’environ 6 à 7 dents, environ 1/12 (1 douzième)
de rotation complète, donc une très petite distance. C’est une
roue très lente.
Les étudiants doivent comprendre que la roue menée tourne
beaucoup plus lentement que la roue menante. Cependant,
s’il y a perte de vitesse, la force produite est multipliée.
Tableau des données 2
Deuxième train d’engrenages
Engrenage marron de 14 dents
Engrenage jaune de 82 dents
Type d’engrenage
(roue menante/menée)
Roue menante
Roue menée
Effet d’une rotation de la poignée
bleue sur les engrenages
Un peu moins que la moitié d’une
rotation complète (6-7 dents)
Environ 1 douzième (1/12) de rotation complète (6-7 dents)
Roue la plus rapide
Force multipliée
d.
(i) Décrivez comment la fenêtre est
actionnée par le second train
d’engrenages.
(ii) Comment le mouvement de la
fenêtre est-il différent du mouvement de la poignée et des engrenages?
5.
Demandez aux étudiants de considérer comment l’utilisation d’un
verre plus épais pourrait affecter
les composantes du mécanisme de
la fenêtre de voiture.
www. k nexeduc at ion. c om
4
La vitesse se perd dans le transfert
de force
4
La fenêtre est attachée à l’axe du grand engrenage dans le
second train d’engrenages grâce à des leviers. Lorsque le
grand engrenage tourne, la force est transférée aux leviers
qui permettent de lever ou d’abaisser la fenêtre.
C’est un mouvement linéaire; la poignée et les engrenages
ont un mouvement rotatif.
Les étudiants doivent répondre qu’un verre plus épais signifie
que la fenêtre sera plus lourde. Donc, les trains d’engrenages
ou les leviers devront être modifiés pour produire une plus
grande force.
Education®
23
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Mise en application
Demandez aux étudiants de dessiner un schéma de la fenêtre de voiture dans leur Journal et d’identifier les parties
suivantes : poignée, roue menante, roue menée et levier. Ces schémas devraient comprendre deux roues menantes
et deux roues menées.
Les étudiants doivent aussi dessiner des flèches montrant les directions des mouvements de chaque partie
mobile du mécanisme.
Les étudiants peuvent décrire comment le mécanisme fonctionne dans leur Journal en utilisant le processus étape
par étape, comme vous l’avez fait lors de la discussion en classe.
Ils doivent également compléter la phrase suivante :
“ Lorsque l’énergie est transférée à travers le mécanisme, il y a une perte de
vitesse; force
__________________ mais un gain de __________________ .
Posez-leur les questions suivantes :
Pourquoi est-il important qu’une fenêtre de voiture bouge lentement?
Comment le système de la fenêtre de voiture dans une voiture familiale permet aux passagers d’être protégés
contre les blessures?
Pour aller plus loin
[5e année]
1.
Demandez aux étudiants de calculer l’effet mécanique de chaque train d’engrenages en suivant les instructions suivantes :
(i) Comptez le nombre de dents sur la roue menée.
(ii) Comptez le nombre de dents sur la roue menante.
(iii) Divisez le nombre de dents
sur la roue menée par le
nombre de dents sur la roue
menante.
Rappelez aux étudiants que lorsque l’effet mécanique est
supérieur à 1, la force est multipliée. L’effet mécanique du premier train d’engrenage est de 2,4. L’effet mécanique du second
est de 5,8.
[5e année]
2.
Demandez aux étudiants si leurs calculs de l’effet mécanique correspondent aux réponses données aux questions 4a(iv) et 4c(ii), selon lesquelles la force est multipliée par ces deux trains d’engrenages.
Vérification du Journal
4
4
4
4
4
24
Schéma de la fenêtre de voiture incluant les parties identifiées et les flèches de direction.
Les observations des étudiants en réponse aux questions des étapes 1(b)n et 3.
Deux tableaux complétés.
Une explication du transfert de la force ou du mouvement à travers le mécanisme de la fenêtre de voiture.
Descriptions des effets produits sur le mécanisme si certains changements étaient apportés à la fenêtre.
Education®
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
Le mixeur :
Le mixeur
Un exemple de système à roue plate
Objectifs
Les étudiants devront :
1. construire et étudier le mécanisme d’un modèle représentant un objet réel.
2. observer comment un mouvement rotatif est transféré d’un plan à un autre en utilisant
un système d’engrenage à roue plate.
Matériel
Chaque équipe aura besoin de :
Vous aurez besoin de :
- 1 ensemble Les Engrenages de K’NEX Education
ainsi que le Livret d’Instructions
- un mixeur et quelques aliments pour une
démonstration
- un Journal de l’étudiant
(un pour chaque étudiant)
NOTE : Dans la section Pour aller plus loin, vous trouverez les activités nécessaires pour construire et étudier le modèle du batteur à oeufs. (Voir les pages 10 et 11 du Livret d’Instructions)
Procédure
Introduction
Demandez aux étudiants de décrire
comment le mouvement est transféré à
travers un système d’engrenages droits.
Si vos étudiants ont fait l’activité relative au ventilateur à manivelle, révisez
comment le système d’engrenages
droits facilite un travail en changeant
la vitesse ou en augmentant la force
produites. Rappelez qu’il est impossible
d’utiliser une machine pour augmenter
la vitesse et la force. Expliquez qu’il y a
toujours des concessions à faire en utilisant une machine simple. Il peuvent
gagner de la vitesse aux dépens de la
force ou gagner de la force aux dépens
de la vitesse. Demandez aux étudiants
de décrire ce qui est multiplié lorsqu’on
utilise des engrenages de même taille
dans un train d’engrenages.
La force et le mouvement sont transférés d’un engrenage à
un autre sur un même plan.
Les étudiants devraient se rappeler, de leur expérience
avec le ventilateur, que lorsque des engrenages ont la
même taille, il n’y a aucun gain, ni de force, ni de vitesse.
Expliquez-leur que certaines machines utilisent en fait des
engrenages de même taille seulement pour changer la
direction d’une rotation.
Expliquez qu’un système d’engrenages droits est seulement un type d’arrangement d’engrenages. Dites à
vos étudiants qu’ils découvriront maintenant le type de mécanisme utilisé dans un mixeur. L’arrangement des
engrenages diffère de celui utilisé pour le ventilateur. Leur modèle de mixeur sera manuel.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
25
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Démontrez comment un vrai mixeur fonctionne et discutez :
quelles sont les différentes tâches accomplies par un mixeur?
comment certains mixeurs utilisent différentes vitesses pour couper, battre ou homogénéiser la nourriture?
En utilisant le mixeur K’NEX comme exemple, démontrer au tableau comment dessiner des schémas simplifiés de systèmes d’engrenages, en utilisant des flèches pour montrer la direction de rotation des engrenages.
Expliquez que les dents des engrenages peuvent être schématisées.
Engrenage
Axe
Engrenage
- Divisez la classe en équipes de 2 ou 3 étudiants.
Activité de construction
Distribuez à chaque équipe un ensemble Introduction aux Machines Simples : les Engrenages de K’NEX
Education. Demandez aux étudiants d’observer les pages 6 et 7 du Livret d’Instructions pour construire le
modèle du mixeur. Nous suggérons qu’un étudiant construise les étapes 1 à 4 et l’autre, les étapes 6 à 8.
Activité de découverte : Comment cette machine change-t-elle la direction du
mouvement de la force?
Étapes
1.
Lorsque les modèles sont terminés, accordez quelques minutes
aux étudiants pour les observer.
Demandez-leur d’identifier le
train d’engrenages. Demandezleur d’identifier quels types de
machines simples composent
leur modèles.
2.
Demandez aux étudiants de dessiner un schéma de leur mixeur dans leur Journal. Les parties suivantes
devraient être identifiées : manivelle, roue menante, roue menée et lame. Inscrivez ces termes au tableau.
Demandez-leur de dessiner les flèches montrant la direction du mouvement de chaque partie mobile lorsque la
poignée est tournée.
3.
Aidez les étudiants à comprendre comment leur modèle fonctionne en leur demandant de répondre aux questions suivantes :
(a) Où la force est-elle appliquée?
26
Education®
Systèmes d’engrenages, roue et axe. Le train d’engrenages
dans ce modèle est un système de roue plate; nous vous
recommandons de laisser les étudiants se familiariser
avec ses caractéristiques avant de commencer à discuter
en groupe.
La force est appliquée à la manivelle.
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
(b) À quel type de mouvement correspond la force de l’effort?
(c) À quel endroit le mouvement
produit se trouve-t-il? Quel type de
mouvement est-ce?
(d) Comparez le mouvement de l’effort
et le mouvement produit. Comment
sont-ils semblables? En quoi sont-ils
différents?
(e) Observez et décrivez le mouvement
de chaque partie mobile. La partie
tourne-t-elle sur un plan vertical ou
horizontal?
Le mixeur
C’est un mouvement rotatif.
Le mouvement produit est dans les lames. C’est aussi un
mouvement rotatif.
Ils sont semblables parce qu’ils sont tous les deux des mouvements rotatifs. Ils sont différents parce qu’ils tournent
dans des directions opposées. Les lames se trouvent aussi
sur un plan horizontal. La manivelle tourne sur un plan
vertical. Si vos étudiants ne sont pas familiers avec les concepts de plans, acceptez leurs descriptions de
la relation entre les engrenages. Ils pourraient aussi mentionner que l’un des engrenages est à plat, alors que l’autre
est debout.
Manivelle : vertical; 1er engrenage : vertical; 2e engrenage
: horizontal; lames : vertical.
(f) Essayez d’identifier à quel endroit
se produit le changement de mouvement du plan vertical au
plan horizontal.
(g) Demandez aux étudiants de
répondre aux questions suivantes
et d’en discuter en équipe.
(i) Comment peuvent-ils contrôler
la vitesse de l’effort?
4.
En ajustant la vitesse à laquelle ils tournent la manivelle.
(ii) Pourquoi la manivelle
tourne-t-elle à la même
vitesse que les lames?
Les roues menante et menée ont le même nombre de
dents et tournent à la même vitesse. La manivelle est reliée
directement à la roue menante et les lames sont reliées
directement à la roue menée.
(iii) Le mécanisme serait-il plus
facile ou difficile à actionner
sans la manivelle?
Si vos étudiants ont vu les roues et les axes, ils seront familiers avec le fait qu’il est plus facile de faire tourner une
roue (poignée ou manivelle) que son axe.
Demandez aux étudiants si ce système d’engrenages augmente la
vitesse ou change la direction du
mouvement. Ils doivent inscrire leurs
réponses dans leur Journal.
Ils devraient remarquer que le système d’engrenages
change la direction du mouvement.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
27
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Mise en application
Expliquez aux étudiants qu’ils ont construit un système d’engrenages à roue plate, en anglais, on appelle ce type
de système “engrenages à couronne”. Demandez-leur d’observer un des engrenages non utilisés et de suggérer
une raison pour laquelle on appellerait cette roue “couronne”. Si nécessaire, démontrez-leur que les engrenages
jaunes ont une série de dents à 90 degrés. En regardant de côté, ceci peut faire penser à une couronne. Ces dents
s’emboîtent avec les dents du deuxième engrenage pour donner un changement de direction à 90 degrés. Dites
aux étudiants d’inscrire une note à propos du nom de ce système dans leur Journal.
Faites appel à des volontaires pour réviser les façons dont l’énergie se transfère d’un plan à un autre grâce à
un système d’engrenages à roue plate.
À quel endroit l’effort est-il appliqué?
Sur la manivelle.
À quel type de mouvement appartient l’effort?
C’est un mouvement rotatif.
Pourquoi la roue menante tourne-t-elle?
La manivelle fait tourner l’axe; la roue
menante est placée sur cet axe, elle tourne
donc elle aussi.
Quel est le nom de ce type d’engrenage?
Engrenage à roue droite.
La roue menante se trouve-t-elle sur un plan vertical
ou horizontal?
Vertical.
En quoi la position de la roue menante est-elle différente de celle de la roue menée?
La roue menée est en position horizontale.
Comment la roue menante transfère-t-elle l’énergie à
la roue menée?
Ses roues s’emboîtent avec la roue menée
et l’actionnent en tournant.
À quel endroit se trouve le mouvement produit?
Dans les lames.
De quel type de mouvement s’agit-il?
C’est un mouvement rotatif.
Les étudiants devraient inscrire ces informations dans leur Journal en utilisant le vocabulaire approprié.
Ils peuvent également compléter la phrase suivante :
Un engrenage à roue plate peut changer la direction
du mouvement _______________________
Les réponses peuvent varier : d’un plan
à un autre; d’un plan vertical à un plan
horizontal; à 90 degrés.
Vous pourriez étudier avec la classe les avantages d’utiliser un système d’engrenages à roue plate :
28
Education®
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
Le mixeur
1.
Révisez leurs acquisitions – un système d’engrenages à roue plate aide à accomplir un travail
en changeant la direction d’un mouvement. C’est-à-dire que l’effort peut être appliqué dans la
direction la plus facile et que le travail s’accomplira dans une direction différente.
2.
Demandez-leur de comparer l’espace occupé par un système d’engrenages à roue plate et un système
d’engrenages droits. Les étudiants devraient s’apercevoir que les engrenages à roue plate sont beaucoup
plus compacts.
Demandez aux étudiants de prendre ces informations en note dans leur Journal en utilisant le vocabulaire approprié.
Pour aller plus loin
Demandez aux étudiants s’ils pensent que les principes de rapport d’engrenage, vitesse et force observés pour
les systèmes d’engrenages droits fonctionnent aussi avec les systèmes d’engrenages à roue plate. Demandez-leur
d’inscrire leurs hypothèses dans leur Journal.
Demandez à la classe d’observer le modèle du batteur à oeuf aux pages 10 et 11 du Livret d’Instructions.
Discutez avec eux des caractéristiques de ce batteur – par exemple, la nécessité d’avoir une grande vitesse
produite pour battre les oeufs plus rapidement et efficacement qu’avec une fourchette.
Quelle autre machine étudiée doit
opérer à grande vitesse?
Le ventilateur à manivelle.
Un système d’engrenages semblable peut-il être utilisé pour le batteur à oeufs?
1.
Demandez aux étudiants d’interpréter le fonctionnement de cette machine seulement en observant les
instructions de construction des pages 10 et 11.
Demandez-leur de répondre aux questions suivantes :
(a) Observez les photographies et identifiez les parties mobiles. Quelles peuvent être leurs fonctions?
(b) Selon vous, comment les parties mobiles sont-elles reliées entre elles pour créer un changement dans la
direction du mouvement?
(c) Décrivez la direction de la force d’effort et la direction de la force produite.
(d) Identifiez la roue menante et la roue menée.
(e) Quelles sont leurs directions de rotation?
(f) Décrivez en quoi l’arrangement des engrenages du batteur à oeuf est différent de l’arrangement des engrenages du ventilateur à manivelle.
(g) La poignée tourne-t-elle à la même vitesse que les batteurs?
(h) Les batteurs tournent-ils dans la même direction?
(i) Le mécanisme serait-il plus facile ou plus difficile à actionner sans la poignée?
2.
Les étudiants doivent inscrire leurs réponses dans leur Journal.
3.
Laissez les étudiants construire le modèle.
4.
(a) Demandez aux étudiants d’expliquer les mouvements et les fonctions du mécanisme observé.
(b) Comment leur interprétation des schémas diffère-t-elle de ce qu’ils ont observé concrètement sur le modèle?
(c) Demandez aux étudiants de décrire s’il est plus facile de comprendre les schémas ou le modèle. Ils devraient
être en mesure d’expliquer leur réponse.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
29
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Vérification du Journal
4
4
4
4
4
4
4
Identification du mécanisme d’engrenages.
Schéma du mixeur incluant les parties identifiées et les flèches de direction.
Les observations de l’étudiant pour l’étape 3.
Identification des mouvements des différentes parties mobiles.
Identification du changement dans la direction du mouvement et de la force.
La raison pour laquelle en anglais on appelle ce système “roue à couronne”.
Les avantages d’utiliser ce système pour changer la direction d’un mouvement.
NOTES :
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
30
Education®
LES MACHINES SIMPLES
La bicyclette stationnaire :
LES ENGRENAGES
La bicyclette
stationnaire
Un exemple d’un système de roue de chaîne
Objectifs
Les étudiants devront :
1. construire et étudier le mécanisme d’un modèle représentant un objet réel.
2. observer comment le mouvement et la force sont transmis d’un point à un autre en utilisant une chaîne et une roue à chaîne.
Matériel
Chaque équipe aura besoin de :
Vous aurez besoin de :
- 1 ensemble de K’NEX Education Introduction aux
Machines Simples : les Engrenages ainsi que le
Livret d’Instructions
- une bicyclette (facultatif)
- un Journal de l’étudiant pour chaque étudiant
Procédure
Introduction
Révisez avec la classe les façons dont
sont reliés les engrenages et comment
l’énergie et le mouvement sont transférés à travers un système d’engrenages
droits.
Dans un système d’engrenages droits, les engrenages sont
reliés et alignés. La force et le mouvement se transfèrent
d’un engrenage à un autre le long de cet arrangement. Si
vos étudiants sont familiers avec le terme “plan”, vous pouvez leur expliquer que la force et l’énergie sont transférés
sur le même plan.
Rappelez aux étudiants que le
système d’engrenages droits facilite
un travail en changeant la vitesse ou
en multipliant la force produite.
Rappelez-leur également qu’ils ne peuvent utiliser une machine pour gagner
à la fois en vitesse et en force.
Il y a toujours des concessions à faire.
Soit on gagne en vitesse aux dépens
de la force ou en force aux dépens de
la vitesse. Demandez aux étudiants de
vous dire ce que l’on gagne en utilisant
un train d’engrenages dont les engrenages sont de même taille.
Les étudiants devraient se rappeler que des engrenages
de même taille ne font gagner ni vitesse, ni force. Le “gain”
obtenu est que vous pouvez changer la direction d’un mouvement.
Expliquez qu’un système d’engrenages droits est seulement un type de système d’engrenages. Les étudiants
découvriront maintenant un autre type de système dans lequel les engrenages ne se touchent pas. Le système à
découvrir est celui qui permet de faire fonctionner une bicyclette stationnaire.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
31
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Discutez de la conception d’une bicyclette stationnaire basée sur le modèle d’une bicyclette normale. Si possible,
présentez un exemple de bicyclette afin que les étudiants puissent l’étudier. Alternativement, demandez-leur
d’observer les pages 12 et 13 du Livret d’Instructions pour interpréter comment le mécanisme du modèle fonctionne.
Posez-leur les questions suivantes à propos du fonctionnement de la bicyclette et encouragez-les à utiliser des
termes associés à la bicyclette qui leur sont familiers :
De quel endroit provient l’effort pour faire fonctionner
la bicyclette?
Des pieds, via les pédales.
Quelles sont les parties mobiles et quelles en sont
les fonctions?
Les réponses peuvent varier.
Comment l’effort est-il transféré à la roue arrière?
Grâce à la chaîne.
En quoi l’arrangement des engrenages dans ce
mécanisme est-il différent du système d’engrenages
droits étudié précédemment?
Les systèmes muni d’une roue de chaîne utilisent une chaîne pour transmettre un mouvement rotatif d’un axe menant à un axe mené.
Les roues de chaîne sont des roues dentées
sur lesquelles circule une chaîne. Elles sont
placées à une certaine distance l’une de l’autre
mais la chaîne les relie de façon à ce que
lorsque la première roue tourne, elle entraîne
la seconde.
Les réponses à cette question vous donneront
l’opportunité de discuter de la chaîne et de la roue
de chaîne.
Divisez la classe en équipes de 2 ou 3 étudiants.
Activité de construction
Distribuez un ensemble Les Engrenages de K’NEX Education à chaque équipe.
Demandez-leur de regarder les pages 12 et 13 du Livret d’Instructions et de construire le modèle de la bicyclette stationnaire. Nous suggérons que le premier étudiant construise les étapes 1 à 6 et l’autre, les étapes 7
à 11.
Activité de découverte : Comment le mouvement et la force sont-ils transférés
en utilisant un système de roue à chaîne?
Étapes
1.
(a) Lorsque les modèles sont construits, accordez quelques minutes
aux équipes pour étudier leur bicyclette stationnaire. Demandez-leur
d’identifier les différentes parties
du modèle.
(b) En utilisant le modèle pour
exemple, démontrer au tableau
comment dessiner un schéma simplifié en utilisant les flèches pour
montrer le mouvement. Prenez le
schéma de droite en exemple :
Chaîne
Roue de chaîne
32
Education®
Direction du
mouvement
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
La bicyclette
stationnaire
(c) Demandez aux étudiants de dessiner un schéma de leur bicyclette. Encouragez-les à identifier
les différentes parties de leur schéma. Les termes suivants pourraient les aider :
roue de chaîne, chaîne, pédale, mécanisme d’entraînement, mailles,
roue menante, roue menée, axe menant, axe mené.
(d) Demandez aux étudiants de dessiner les flèches représentant la direction du mouvement pour chacune des
parties mobiles du mécanisme.
(e) Demandez-leur de comparer le
mouvement de chacun des axes
(menant et mené).
Les deux axes tournent dans la même direction.
(f) Les étudiants doivent inscrire leurs observations dans leur Journal.
2.
Encouragez les équipes à continuer d’explorer le mécanisme en répondant aux questions suivantes.
Demandez-leur de noter leurs réponses.
(a) Où l’effort est-il appliqué? Quel
type de mouvement est-il fourni
au départ?
L’effort est appliqué sur les pédales. Le mouvement de
départ est rotatif.
(b) Où se situe le mouvement
produit? De quel type de mouvement s’agit-il?
Le mouvement produit se situe au niveau de la roue arrière, c’est un mouvement rotatif.
(c) Quelle est la fonction de la
chaîne dans ce système?
La chaîne transmet l’énergie ou le mouvement de
l’engrenage des pédales à l’engrenage de la roue arrière.
(d) Décrivez le transfert d’énergie
ou de mouvement à travers
le système de la bicyclette stationnaire. Commencez avec les
pédales et terminez avec la roue
arrière.
En actionnant les pédales, un mouvement est transféré
de l’axe menant jusqu’à la roue de chaîne avant (la roue
menante). Lorsque cette roue tourne, le mouvement est
transféré à la chaîne. La chaîne transfère le mouvement
et l’énergie à la roue de chaîne arrière (roue menée). Cette
roue fait tourner la roue arrière de la bicyclette.
Mise en application
NOTE : Il pourrait être utile d’avoir un modèle du ventilateur à manivelle pour comparer les deux systèmes.
Demandez aux étudiants d’inscrire
une raison pour laquelle la bicyclette
fonctionne grâce à un système à roue
de chaîne plutôt qu’à un système
à engrenages droits. Rappelez-leur
d’utiliser leurs notes à propos du ventilateur s’ils ont besoin d’un point de
repère.
www. k nexeduc at ion. c om
Les réponses varieront. Réponse possible : Dans un système
d’engrenages droits, la roue menée tourne dans la direction
opposée à la roue menante. Si la bicyclette fonctionnait
ainsi, il faudrait pédaler à l’envers pour avancer.
Education®
33
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Lorsque les étudiants ont terminé, demandez à quelques uns d’entre eux de partager leurs idées. Inscrivez les
réponses au tableau.
Revoyez les réponses. Demandez aux étudiants ce qu’ils pensent à propos d’autres machines qui transfèrent le
mouvement sur une certaine distance. Ensemble, dressez une liste de machines fonctionnant grâce à la roue de
chaîne. Vous pourriez les aider en montrant des photographies. Demandez aux étudiants d’identifier le mécanisme
dans ces différentes machines. Voici quelques exemples que vous pouvez utiliser :
le convoyeur de la caisse enregistreuse à l’épicerie;
une montagne russe (c’est un système à roue de chaîne qui tire les wagons en haut d’une pente);
un escalier mécanique dans un magasin.
Pour aller plus loin
[5e année]
1.
Rappelez aux étudiants que le
terme rapport d’engrenage réfère
au nombre de tours effectués par
une roue menée en relation avec
le nombre de tours effectués par
une roue menante. Demandez
aux étudiants d’estimer le rapport
d’engrenage de leur bicyclette stationnaire.
Ils devraient conclure que le rapport d’engrenage est de 1
:1 puisque les roues sont identiques.
[5e année]
2.
Demandez aux étudiants pourquoi
les bicyclettes à dix vitesses et les
bicyclettes de montagne utilisent
plusieurs tailles d’engrenages.
Réponses possibles : Les différentes combinaisons
d’engrenages fournissent plusieurs rapport d’engrenage. La
plupart suggéreront probablement qu’ils utilisent différentes
tailles d’engrenages pour monter des pentes ou pour conduire sur une rue sans pente.
Vérification du Journal
Les informations suivantes devraient être inscrites :
4
4
4
4
4
34
Identification du mécanisme.
Schéma de la bicyclette incluant les parties identifiées et les flèches de direction.
Les observations des étudiants en réponse aux questions de l’étape 2.
Identification des mouvements des parties mobiles.
Description du transfert d’énergie ou du mouvement à travers le système.
Education®
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
LES ENGRENAGES : Changement de
direction, vitesse et force…
Un engrenage est une roue munie de dents le long de
sa circonférence externe.
Les engrenages peuvent :
changer la direction d’un mouvement.
changer la vitesse à laquelle un objet bouge.
changer la force nécessaire pour faire bouger un objet.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
35
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
LES ENGRENAGES : En mouvement…
Roue menante
Roue menée
ROUE MENANTE : La roue sur laquelle l’effort est appliqué.
ROUE MENÉE : Le roue reliée (qui s’emboîte) à la roue menante.
36
Education®
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
LES TRAINS D’ENGRENAGES : Changer
la direction d’une rotation
Roue intermédiaire
Roue menante
Roue menée
Deux (ou plusieurs) engrenages reliés ensemble forment un
train d’engrenages. Ces engrenages tournent dans des directions opposées.
Une roue intermédiaire fait en sorte que les deux roues de
chaque côté d’elle tournent dans la même direction.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
37
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
LES ENGRENAGES À ROUE PLATE :
Changer les plans…
Un engrenage à roue plate à angle droit (90 degrés) avec
un autre engrenage change la direction du mouvement. Un
engrenage tourne verticalement (de haut en bas) et l’autre
tourne horizontalement (d’un côté à l’autre).
38
Education®
LES MACHINES SIMPLES
LES ENGRENAGES
LES ENGRENAGES : Changer la vitesse
et la force
Grande roue
menante (lent)
Petite roue
menée (rapide)
ACCÉLÉRATION : une grande roue menante fait tourner
une petite roue menée plus rapidement. La vitesse de
rotation est augmentée, mais la force diminue.
Petite roue
menante
(rapide)
Grande roue
menée (lent)
DÉCÉLÉRATION : Une petite roue menante fait tourner
une grande roue menée plus lentement. La vitesse de
rotation est réduite, mais la force augmente.
www. k nexeduc at ion. c om
Education®
39
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
LES ENGRENAGES : Essayez ceci…
Dans quelle direction les engrenages suivants tournent-ils ?
40
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Education®
LES MACHINES SIMPLES