CI : L’évolution de l’objet technique Habitat et ouvrages 5e CI : L’évolution de l’objet technique Séquence N°x : - mettre en relation une tâche avec différents outils et machines utilisés au cours des âges Janvier 2012 FICHE PEDAGOGIQUE

TACHE : comment assurer la fonction de levage d’un bloc de pierre dont la masse est égale à 100 kg sans moyens sophistiqués ? Pour lever le bloc de pierre, il faut solutionner deux problèmes : comment avoir suffisamment de force pour le soulever ? ? ? comment saisir le bloc de pierre ?

SEANCE 1 : comment saisir le bloc de pierre ? - durée : 1h20 Capacités visées : mettre en relation une tâche avec différents outils et machines utilisées au cours des âges (niv. 1) Prérequis élèves : aucun

Situation déclenchante : autrefois pour construire le pont du Gard ou les cathédrales*, comment saisissait-on un bloc de pierre pour construire l’ouvrage ? ? * Exemples vus en histoire (moyen-âge) et en technologie (voûtes)

Réponses des élèves : Cordage entourant le bloc (façon cadeau !) Deux sangles côte à côte Un filet (idem transport hélicoptère) … Inconvénient majeur de ces solutions : il faut soulever le bloc pour mettre en place et enlever le matériel, donc peu pratique.

Indice : Lors d’une promenade dans la vieille ville d’Annecy, on remarque un trou sur chaque pierre qui compose la façade du palais de l’Isle. A quoi pouvaient-ils bien servir ?

Ressources : - vidéos à visionner : griffe. mpg louve Ressources : - vidéos à visionner : griffe.mpg louve.mpg - fichier ressource : bestiaire.pdf - fichier « Fiche élève comment saisir le bloc de pierre.odt » mis sur zone classe, - vidéoprojecteur, station avec internet - matériel de simulation de l’utilisation de la griffe et de la louve

Travail à effectuer – consignes pour 5 groupes de 4 élèves 1) après avoir visionné la vidéo griffe 2.mpg, définir le rôle de ces trous ? Permettre à l’outil de maintenir la pierre sans glisser.

2) comment s’appelle l’outil permettant d’assurer la fonction de préhension du bloc de pierre ? Il s’agit de la griffe

3) fais un schéma de cet outil expliquant son action sur le bloc de pierre.

4) valide l’utilisation de la griffe avec le matériel à ta disposition

5) recherche les applications actuelles de ce principe de préhension 5) recherche les applications actuelles de ce principe de préhension ? (éventuellement recherche internet) pinces à bordures de trottoirs Griffe à fourrage  benne preneuse pour le terrassement Griffe à grumes

6) quel est l’inconvénient de cet outil 6) quel est l’inconvénient de cet outil ? Il laisse des trous sur les faces visibles des pierres. 7) après avoir visionné la vidéo louve.mpg, dire quel autre outil permet d’éviter cet inconvénient ? Fais un schéma expliquant son action sur le bloc de pierre.

Il s’agit de la louve,

8) valide l’utilisation de la louve avec le matériel à ta disposition.

Le boulon à expansion à visser 9) donne un exemple d’application actuelle basé sur le même principe que la louve (éventuellement recherche internet) fixations par expansion : Le boulon à expansion à visser le goujon à frapper

L’essentiel à retenir  (séance 1) 1 Deux méthodes de préhension des blocs étaient couramment utilisées au moyen âge : - la griffe qui impose un trou visible sur deux faces ; son principe est le pincement. - la louve qui impose un trou en partie supérieure dans lequel est fixé l’ancrage ; son principe est le frottement. 2 Aujourd’hui ces mêmes principes sont appliqués sur des systèmes modernes : Principe de la griffe : « pince » que l’on retrouve lors de la manutention de bordures de trottoirs, sur certains engins de terrassement pour creuser le sous-sol, pour transporter le fourrage ou les grumes de bois. Principe de la louve : « systèmes de fixation par expansion » à visser ou à frapper. Dans les deux cas la forme conique de l’extrémité engendre un effort augmentant le frottement dans le trou.

SEANCE 2 : comment avoir suffisamment de force pour soulever ce bloc SEANCE 2 : comment avoir suffisamment de force pour soulever ce bloc ? - durée : 1h20 Capacités visées : mettre en relation une tâche avec différents outils et machines utilisées au cours des âges (niv. 1) Prérequis élèves : acquis de la séance N°1

Situation déclenchante : seul, vous devez placer un bloc de pierre de 100 kg sur une plateforme située à 5 mètres de haut. Comment pouvez-vous faire alors que vous ne disposez pas d’engins de levage sophistiqués ?

Ressources : - fichier ressource : Le pont du Gard.pdf - fichier « Fiche élève comment lever le bloc de pierre.odt » mis sur zone classe, - vidéoprojecteur, station avec internet - matériel de simulation du fonctionnement d’un palan : poulies, cordelette

Travail à effectuer – consignes pour 5 groupes de 4 élèves 1) Imaginez les solutions possibles pour répondre à cette question (recherche internet, fichier «Le pont du Gard.pdf ) Propositions d’élèves : Cage d’écureuil + chèvre chèvre Cage d’écureuil e Treuil à main Cage d’écureuil + poulie poulie

L’objectif est de diminuer au maximum la force nécessaire 2) On constate que quelle que soit la technique utilisée, il faut une certaine force pour tourner la cage, activer le treuil ou tirer sur la corde. L’objectif est de diminuer au maximum la force nécessaire Manipulation : on vous donne une poulie, une nacelle, de la cordelette, une boite de poids et la griffe et son bloc à soulever d’une masse de 762 g. Faites le montage ci-contre et évaluer la masse nécessaire à mettre dans la nacelle pour lever l’ensemble ? ? 762g

Mesure de la masse à mettre dans la nacelle pour lever la charge

Il faut mettre environ 820 g dans la nacelle pour que le bloc et sa griffe montent alors qu’ils ont une masse totale de 762 g.

3) Comment expliquez-vous qu’il soit nécessaire de mettre dans la nacelle une masse supérieure à celle qui est à lever ? Deux raisons à cela : si la masse est identique sur chaque brin de la poulie, le système est en équilibre par conséquent la charge n’a aucune raison de monter. Le contact entre la poulie et son axe ainsi que le contact entre la cordelette et la poulie engendrent des frottements qu’il faut compenser par un effort supplémentaire.

4) Quelle masse faudrait-il mettre dans la nacelle pour soulever le bloc de 100 kg ? Pour monter 762 g il faut 820 g Pour monter 100 kg il faut : 100 x 0,820 / 0,762 = 107,6 kg Que concluez-vous ? Avec une poulie je ne peux pas lever le bloc de100 kg

A ce stade, les groupes peuvent travailler sur des manipulations différentes, par exemple : Manipulation N° 1 : palan à 2 brins Manipulation N° 2 : palan à 4 brins

Manipulation N° 1 : palan à 2 brins Avec le matériel qui vous est fourni et en suivant la photo ci-contre, assemblez le palan et mesurez de la même façon que précédemment la masse nécessaire pour lever l’ensemble bloc + griffe. M = ?

Assemblage du palan

Pour lever les 762g du bloc et de la griffe, il faut mettre environ 450 g dans la nacelle.

Manipulation N° 2 : palan à 4 brins Avec le matériel qui vous est fourni et en suivant le dessin ci-dessous, assemblez le palan et mesurez de la même façon que précédemment la masse nécessaire pour lever l’ensemble bloc + griffe. M= ?

Mesure de la masse à mettre dans la nacelle Assemblage du palan Mesure de la masse à mettre dans la nacelle

Pour lever les 762 g du bloc et de la griffe, il faut mettre environ 450 g dans la nacelle.

Mise en commun des observations Rappel de la problématique : quelle est la masse à mettre dans la nacelle pour soulever les 762 g du bloc et de la griffe. Avec une poulie simple (1 brin), il faut mettre 820 g dans la nacelle. Avec un palan à 2 brins, il faut mettre 450 g dans la nacelle. Avec un palan à 4 brins, il faut mettre 240 g dans la nacelle.

Y a -t-il une relation entre la masse dans la nacelle et le nombre de brins ? Nb de brins Masse dans la nacelle 1 brin 820 g 2 brins 450 g 4 brins 240 g En étudiant ces valeurs, on constate qu’il y a une relation entre la masse à mettre dans la nacelle et le nombre de brins équipant le palan. Plus le nombre de brins est important, moins il est nécessaire de charger la nacelle.

EXPLICATION DU PHENOMENE (support : le palan à 4 brins)

6) Dans le schéma ci-dessous, on a coupé mentalement le palan horizontalement. Pour que la partie inférieure reste en équilibre, il faut remplacer les efforts normalement repris par la cordelette par des forces équivalentes. F totale F F totale F

Quelle force doit exercer chaque personnage pour maintenir l’ensemble en équilibre ? F totale F F = ¼ de F totale

Si l’on néglige les frottements, quelle est par conséquent la masse nécessaire pour lever l’ensemble bloc+griffe ? M = ¼ de M totale = ¼ de 762 g = 191 g (la différence entre 240 g et 191 g provient des frottements) Toujours en négligeant les frottements, quelle masse faut-il mettre dans la nacelle pour lever les 100 kg du bloc de pierre ? M=1/4 de 100 kg = 25 kg Avec un palan de ce type, pouvez-vous soulever le bloc de pierre de 100 kg ? Réponse : OUI

7) recherchez les applications actuelles du palan 7) recherchez les applications actuelles du palan ? (éventuellement recherche internet) grues Accastillage pour voilier Pont roulant

L’essentiel à retenir (séance 2) Quelque soit la technique de levage utilisée, il faut exercer une force pour tourner la cage, mettre en mouvement le treuil, tirer sur la corde… et l’on cherchera toujours à diminuer cette force. Une poulie simple ne permet pas de diminuer cette force car en plus de la masse à lever il faut ajouter les frottements divers. Un palan, composé de plusieurs poulies (moufle), permet de diviser l’effort à appliquer sur la corde. Il suffit de compter le nombre de brins entre les poulies supérieures et inférieures pour connaître le coefficient réducteur (4 brins > on divise par 4 l’effort). Déjà utilisé par les Romains, le palan est toujours présent aujourd’hui sur les grues, ponts roulants, accastillage de voiliers…

CHAPES des POULIES des engins de levage CAO = le dessin CHARLYGRAAL V5 CFAO CHAPES des POULIES des engins de levage CAO = le dessin Brut : X = 145, Y = 95 et z = 3 mm On donne les coordonnées absolues (par rapport à l’origine) des points : A = 5 / 5 B = 5 / 35 C = 5 / 65 D = 17.5 / 17.5 E = 74 / 17.5 F = 130.5 / 17.5 G = 17.5 / 47.5 H = 79 / 47.5 I = 124.5 / 47.5 J = 17.5 / 77.5 K = 71 / 77.5 L = 124.5/77.5