SCIENCES ET TECHNOLOGIE AU CYCLE 3 Leviers et balances, équilibres, objets mécaniques, transmission de mouvements

palier 2 : Compétence 3 : les principaux éléments de mathématiques et la culture scientifique et technologique * P r a t i q u e r u n e dém a r c h e s c i e n t i f i q u e o u t e c h n o l o g i q u e Pratiquer une démarche d’investigation : savoir observer, questionner Manipuler et expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter, mettre à l’essai plusieurs pistes de solutions Exprimer et exploiter les résultats d’une mesure et d’une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l’écrit ou à l’oral * M a î t r i s e r d e s c o n n a i s s a n c e s d a n s d i v e r s d o m a i n e s s c i e n t i f i q u e s e t l e s m o b i l i s e r d a n s d e s c o n t e x t e s s c i e n t i f i q u e s d i f f é r e n t s e t d a n s d e s a c t i v i t é s d e l a v i e c o u r a n t e Le ciel et la Terre La matière L’énergie L’unité et la diversité du vivant Le fonctionnement du vivant Le fonctionnement du corps humain et la santé Les êtres vivants dans leur environnement Les objets techniques Environnement et développement durable Mobiliser ses connaissances pour comprendre quelques questions liées à l’environnement et au développement durable et agir en conséquence

Objectifs d’apprentissage (grilles de références) L’élève connaît des dispositifs de transmission du mouvement et est capable d’en décrire une utilisation concrète suite à une démarche de fabrication en classe ou à l’étude d’un objet technique (treuil, bicyclette…) Il est capable de prévoir et d’interpréter quelques situations d’équilibre, en particulier lorsque les forces qui s’appliquent ne sont pas à égale distance de l’axe ou dans le cadre de l’utilisation de balances à plateaux

CE 2 (progressions) Leviers et balances, équilibres Réaliser des équilibres (mobiles, balance romaine, Roberval…) Mesurer des masses à l’aide de différents types de balances. Vocabulaire : balance, masse, équilibre.

CM1 (progressions) Leviers et balances, équilibre Analyser et comparer le fonctionnement de différents objets techniques de la vie quotidienne. Identifier le levier et ses principes (rapport force /distance à l’axe). Repérer des objets qui utilisent le principe du levier. Vocabulaire : axe de rotation, pivot, force, distance, levier. Objets mécaniques, transmission de mouvements Concevoir et expérimenter un dispositif technique pour soulever ou déplacer un objet. Vocabulaire : poulie, courroie, transmission. *Le vocabulaire est à adapter selon le dispositif produit.

CM2 (progressions) *Objets mécaniques, transmission de mouvements Analyser et comparer le fonctionnement de différents objets techniques de la vie quotidienne dans lesquels un mouvement est transmis ou transformé. Identifier ces transformations et ces transmissions. Connaître des dispositifs de transmission du mouvement. Connaître des dispositifs de transformation du mouvement. Vocabulaire : transformation, rotation, translation, engrenage, roue dentée.

Durant les trois années du cycle, les séquences permettront aux élèves : ◦ de repérer une même solution technique assurant des fonctions différentes ; ◦ de repérer différentes solutions techniques assurant une même fonction ; ◦ de préciser des raisons motivant le choix d’un élément de solution (par exemple matériau) pour un objet et un contexte précis ; ◦ d’utiliser un objet en assurant la sécurité ; ◦ de réaliser des objets techniques répondant à une fonction.

Enseignants de CE2 Fabriquer une balance à plateaux avec le matériel à disposition (Celda- Mécanique : réalisations techniques simples) Dégager les étapes importantes de la séquence d’apprentissage qui conduiront les élèves à comprendre la notion d’équilibre et à savoir réaliser un objet technique utilisant ce principe Présenter les réalisations au grand groupe

Enseignants de Cm1 Fabriquer une grue simple (Celda- Mécanique- réalisations techniques simples) Dégager les étapes importantes de la séquence d’apprentissage qui conduiront les élèves à identifier le levier et ses principes (rapport force/distance à l’axe) et à savoir réaliser un objet technique utilisant ce principe Présenter les réalisations au grand groupe

Enseignants de CM2 Réaliser une construction ou une machine utilisant le système des engrenages (Celda- Mécanique- pour aller plus loin) Dégager les étapes importantes de la séquence d’apprentissage qui conduiront les élèves à comprendre et réaliser des dispositifs de transmission du mouvement Présenter les réalisations au grand groupe

Insérer démarche

CE2 : Exemple de séquence « leviers et balances, équilibres » Equilibres et balances : Comment construire un mobile en équilibre ?

Conclusion ( « ce que je retiens ») : pour que le mobile soit en équilibre, l’axe de rotation doit être plus prêt de la grande figurine »

Construire une balance avec le matériel Celda (équilibre) Comparer la balance avec le mobile de la 1ère séance Expérience : que se passe-t-il si on fixe une roue jaune dans un autre trou ? Comment rétablir l’équilibre en déplaçant l’autre roue ?

« Ce que je retiens » : la 2ème roue monte quand on fixe la 1ère plus près de l’axe La 2ème roue descend quand on fixe la 1ère vers l’extrémité du fléau Si l’on déplace la 1ère roue pour établir l’équilibre, il faudra placer la 2ème roue de façon symétrique (même distance entre l’axe de rotation et les trous)

Utiliser une balance mathématique (mesures) 1. Comment équilibrer le fléau en plaçant une masse de chaque côté ? 2. De quel côté penche le fléau quand les 2 masses ne sont pas symétriques ? 3. Comment équilibrer le fléau en plaçant une masse d’un côté et 2 masses de l’autre côté ?

1. « ce que je retiens » : Pour équilibrer le fléau avec une masse de chaque côté, il faut placer chaque masse de façon symétrique par rapport à l’axe de rotation 2. « si les 2 masses ne sont pas symétriques, le fléau penche du côté de la masse qui est la plus éloignée de l’axe 3. « pour équilibrer le fléau avec une masse d’un côté et 2 masses de l’autre côté, il faut que la graduation de la 1ère masse soit égale à la somme des graduations des 2 autres masses

Cm1 : exemple de séquence Technique 1 Technique 2

Réalisation d’une maquette avec la technique 1

Comment réduire l’effort à l’aide d’un levier (technique 2)

« ce que je retiens » Un levier est une barre rigide que l’on glisse sous les objets pour les soulever. Le levier pivote autour du point d’appui (pivot)

* Comment soulever un objet lourd avec un minimum de force grâce à un levier ?

« ce que je retiens » : Plus on éloigne le pivot de la charge, plus c’est difficile à soulever, mais la charge monte plus haut Plus on rapproche le pivot de la charge, plus c’est facile à soulever, mais la charge monte moins haut

Les objets de la vie quotidienne contiennent-ils des leviers ? Observation et manipulation d’objets techniques Tri d’objets comportant ou non des leviers Identification des différentes parties Compréhension du fonctionnement Identification des différentes fonctions des objets ayant des leviers

« ce que je retiens » Beaucoup d’objets de la vie courante sont des leviers. On peut se servir de leviers de 3 manières : Le coupe-œuf, le presse-ail, le casse-noix, le décapsuleur, la brouette ont la charge au milieu. (la charge est l’objet à casser, à couper, …) La pince à dénuder, les ciseaux, l’arrache cheville, le coupe-ongle, le maillet, l’agrafeuse ont le pivot au milieu (le pivot est aussi le point d’appui). La pince à spaghetti, la pince à glaçon ont la force (la main) au milieu.

1) Le coupe-œuf, le presse-ail, le casse-noix, le décapsuleur et la brouette ont la charge au milieu :la charge est l’objet à casser, à couper,…

2) La pince à dénuder, les ciseaux, l’arrache cheville, le coupe-ongle, le maillet et l’agrafeuse ont le pivot au milieu (le pivot est aussi le point d’appui)

3) La pince à spaghetti et la pince à glaçon ont la force (la main) au milieu.

CM2 : la transmission et la transformation de mouvement, les engrenages

Qu’est-ce qu’engrenage ? À quoi sert-il ? Où en trouve-t-on ?... Un engrenage est un mécanisme formé d’au moins deux roues dentées qui s’emboîtent et s’entraînent l’une l’autre en tournant. Important : deux roues qui se touchent tournent en sens inverse. Lorsque, dans un dispositif mécanique, le mouvement de sortie est de même nature que le mouvement d'entrée, il y a transmission de mouvement. Par exemple, lorsque j'actionne le pédalier de mon vélo (rotation), il entraîne la chaîne qui entraîne le pignon arrière qui entraîne la roue (rotation). Une roue dentée tourne autour d'une tige appelée axe.

Comment faire tourner un morceau de patafix posé sur une roue dentée , dans le même sens que le mouvement de la main, sans toucher la roue sur laquelle se trouve la patafix ? On sait que 2 roues qui se touchent tournent en sens inverse, comment faire si l’on veut faire tourner une roue dans le même sens que la manivelle ?

Combien de roues pouvons-nous intercaler entre la roue menante et la roue menée pour qu’elles tournent dans le même sens ? Que se passe-t-il si l’on met plus d’une roue entre les deux ?

Patafix Manivelle

« Ce que je retiens » Pour que la roue avec la patafix tourne dans le même sens que la roue avec la manivelle, il faut un nombre impair de roues dentées entre ces deux roues On sait donc que si l’on souhaite faire tourner la roue avec la patafix dans le sens inverse de la roue menante, il faudra intercaler un nombre pair de roues dentées une petite roue tourne plus vite qu’une grande roue

Utilisation d’un autre objet : le fouet mécanique Comment les engrenages du fouet fonctionnent-ils ? Utilisation des objets, liens avec le travail sur l’essoreuse

Reproduire le principe du fouet mécanique : la manivelle tourne sur le plan vertical et les fouets dans le plan horizontal

« ce que je retiens » Pour que le fouet mécanique fonctionne, il faut que la grande roue verticale (avec la manivelle) soit perpendiculaire aux 2 petites roues horizontales où sont accrochées les 2 fouets Les engrenages servent à transmettre et à modifier un mouvement de rotation pour réduire l’effort à appliquer, modifier le sens de rotation et modifier la vitesse de rotation

Qu’y a–t-il dans l’essoreuse à salade ?

« ce que je retiens » : la transmission du mouvement dans le système de l’essoreuse La roue intérieure tourne plus vite que la roue extérieure Le pignon d’entrée (52 dents) est plus grand que le pignon de sortie (14 dents) et donc quand le 1er fait un tour, le 2ème en fait 4 pour transmettre le mouvement, l’essoreuse utilise un système de roues dentées appelé engrenages

Comment calculer le nombre de tours ? On sait que pour faire tourner plus vite la roue menée que la roue menante, il faut que la roue menée soit plus petite Recherches : le poids, la taille, le diamètre, le périmètre, le nombre de dents

Mise en commun et synthèse écrite La roue jaune a 60 dents. La roue bleue a 40 dents. La roue rouge a 20 dents. 60 c’est le triple de 20, donc pour un tour de roue jaune, on a 3 tours de roue rouge. 40 c’est le double de 20, donc pour un tour de roue bleue, on a 2 tours de roue rouge. 60 c’est 1,5 fois plus grand que 40, donc pour un tour de roue jaune, on a un tour et demi de roue bleue. Remarque : on s’arrête à ce constat (cf collège)

Construire une machine qui fonctionne avec des engrenages (réinvestissement) Avec du matériel Celda Construire puis présenter aux autres en expliquant le mouvement produit Schématiser les constructions Evaluation :

Nom :………………………… Date :………………………. Sciences : Évaluation sur les engrenages 1) Donne la définition d’un engrenage : …………………………………………………………………………………………………………………… 2) Indique par des flèches sur le schéma le sens de rotation des roues dentées. Quelles sont les roues qui tournent : -dans le même sens que A ?…………… -dans le sens inverse de A ?…………… 3) Fais un schéma avec 2 roues dentées A et B telles que la roue A tourne plus vite que la roue B : Explications : ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………… 4) Fais le schéma correspondant à la réalisation du défi et écris un petit texte pour expliquer . Défi : Comment faire tourner 3 roues dentées jaunes dans le même sens que le mouvement de la main ? …………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………

2) Indique par des flèches sur le schéma le sens de rotation des roues dentées.