Poulies et engrenages

Objectif d’apprentissage

Les élèves réviseront leurs connaissances des machines simples. À la fin de cette activité, les élèves devraient connaître les divers types de machines simples et savoir comment elles nous aident à faire le travail.

Matériel

• Feuilles d’activité
• Crayons

Introduction

Commencez en abordant quelques concepts de base à propos des machines simples :

• Que sont les machines simples? (Elles nous aident à faire le travail – à déplacer des objets plus facilement.)
• Au tableau, dressez une liste de quelques exemples de machines simples. Les élèves de la classe peuvent-ils nommer les sept types?

Plans inclinés 

• Ramps
• Vis
• Coins

Leviers

• Leviers
• Roues et essieux
• Poulies
• Engrenages

Distribuez les feuilles d’activité. Demandez aux élèves de relier chaque dessin au bon nom de type de machine simple.

Veuillez consulter le PDF imprimable au bas de la section.

Remarque : Certains objets peuvent comprendre plus d’une machine simple. Par exemple, un ouvre-boîte utilise un levier, un coin (pour couper) et a des engrenages.

Objectif d’apprentissage

Démontrer aux élèves comment fonctionnent les engrenages d’une bicyclette.

Matériel

• Bicyclette avec engrenages
• Ruban-cache

Remarque de sécurité : Assurez-vous que les élèves restent à une bonne distance de la bicyclette au cas où elle tomberait.

Instructions

1. Placez la bicyclette à l’envers sur le plancher pour pouvoir tourner les pédales et voir la roue arrière tourner. Si vous avez accès à un support à bicyclette, vous pouvez l’utiliser au lieu de placer la bicyclette à l’envers.
2. Demandez aux élèves de s’asseoir en cercle autour de la bicyclette.
3. Posez quelques questions aux élèves. Qui a une bicyclette? Qui aime faire de la bicyclette? Est-ce que la bicyclette facilite notre vie? (Oui, elle fait appel aux machines simples pour nous aider à faire le travail.)
4. Montrez-leur la valve d’air sur le pneu arrière.
5. Comment la pédale fait-elle avancer la bicyclette? (La pédale est reliée à un engrenage qui est relié à un autre engrenage à l’arrière à l’aide de la chaîne.)
6. Lorsque je pousse sur la pédale, croyez-vous que l’engrenage fixé à la pédale fera le même nombre de tours que l’engrenage fixé à la roue arrière? (Recueillez des hypothèses.)
7. Dites aux élèves que vous allez vérifier les hypothèses.
8. Placez un morceau de ruban-cache sur l’engrenage avant et un sur l’engrenage arrière. Demandez à des élèves de compter le nombre de tours à l’avant et à d’autres de compter le nombre de tours à l’arrière.
9. Tournez la pédale lentement et voyez combien de tours l’engrenage avant et l’engrenage arrière effectuent.
10. Pourquoi croyez-vous que l’engrenage avant et l’engrenage arrière ne font pas le même nombre de tours? Quelle est la différence? (Ils sont de différentes grosseurs.)
11. Demandez aux élèves de compter les dents de l’engrenage avant, puis celles de l’engrenage arrière.
12. La différence entre le nombre de dents de ces deux engrenages se nomme « rapport d’engrenage ». Demandez aux élèves : Quelle combinaison d’engrenages utiliseraient-ils pour faire avancer une bicyclette le plus rapidement possible? (L’engrenage avant fait moins de tours – gros; l’engrenage arrière fait plus de tours – petit.)
13. Demandez aux élèves : Quelle combinaison d’engrenages utiliseraient-ils pour faciliter le plus possible la montée d’une côte?
    (Petit engrenage avant/gros engrenage arrière. Le même travail est demandé pour monter une côte, peu importe comment on s’y prend (T=Fxd). Vous parcourez la même distance avec une force nette. Si vous avez un petit engrenage avant, la roue arrière ne fait qu’une courte distance pour chaque tour des pédales. Donc, la force dont vous avez besoin pour parcourir une courte distance sur la côte est répartie sur le tour complet des pédales. Cependant, si vous montiez cette même côte à une vitesse plus élevée (gros engrenage avant, petit engrenage arrière), pour chaque tour des pédales, la roue arrière fera beaucoup plus de tours; ce qui serait beaucoup plus difficile. Bien que la force nécessaire pour monter la côte demeure la même, elle est maintenant répartie sur un nombre moins élevé de tours des pédales, donc vous auriez besoin de plus de force pour faire bouger les pédales sur la même distance. Ce travail fait appel au même concept que les poulies, c’est-à-dire que si la distance est grande, la force exigée sera moins grande pour accomplir le même travail. Un petit engrenage avant vous fait tourner les pédales de nombreuse fois (plus grande distance), donc moins de force est requise. Un gros engrenage avant vous fait tourner les pédales moins de fois (plus courte distance), donc plus de force est requise.)

• Comment les bicyclettes fonctionnaient-elles avant l’invention des engrenages? (La première bicyclette – le « célérifère » – n’avait pas de pédales. L’utilisateur poussait ses pieds contre le sol. Un important développement a été l’ajout de pédales sur le moyeu avant, comme un tricycle. Un tour de pédales équivalait à un tour de la roue avant.)
• Pourquoi la roue avant d’une bicyclette Penny-Farthing est-elle si grande? (Elle permet à l’utilisateur d’aller plus rapidement.)
• Il existe encore des bicyclettes sans engrenage, mais la plupart en ont. Certaines bicyclettes peuvent avoir jusqu’à 30 différents rapports d’engrenage ou plus.
• Sur une bicyclette, les rapports d’engrenage modifient le nombre de tours de la roue arrière pour chaque coup de pédale.
• Une quantité de travail spécifique est requise pour monter une côte sur une bicyclette. Cependant, selon votre vitesse, la force requise peut varier beaucoup.

En bref, puisqu’une quantité de travail établie est requise pour monter la côte, l’utilisateur requiert moins de force si l’effort est réparti sur plusieurs tours de pédales, plutôt que juste quelques-uns.