Transmission du mouvement – Cycle 3

Point du programme :

Monde construit par l’homme : objets mécaniques, transmission du mouvement.

Compétences spécifiques : - Etre capable de fabriquer des objets mettant en œuvre des mécanismes simples.

- Etre capable de monter et démonter un objet technique simple.

- Apprendre à se comporter efficacement devant un problème d’ordre technique.

Idée principale :

Les engrenages sont l’un des systèmes élémentaires de transmission du mouvement. Un engrenage est constitué

de deux roues dentées qui s’engrènent, c'est-à-dire dont les dents s’emboîtent parfaitement. Il permet donc de

transmettre un mouvement qui peut se définir par une force, une vitesse et un sens de rotation, ou de translation

(cas de la crémaillère). Les systèmes d’engrenage permettent de surmultiplier (augmenter) ou démultiplier

(réduire) une force ou une vitesse. Ils permettent également de changer le sens de rotation ou la direction du

mouvement.

La poulie est l’une des machines simples. Son élément fondamental est une roue. Cette roue est particulière.

Elle comporte souvent une gorge propre à recevoir une courroie ou une corde. Les poulies permettent

également de transmettre un mouvement.

Mots-clés : - Roue dentée ; pignon ; couronne ;

- Roue menante (entrée du mouvement) ; roue menée (sortie du mouvement) ;

- Démultiplier ; surmultiplier ;

- Engrenage ; engrener ;

- Vitesse ; force ; sens du mouvement ;

- Poulie menante ou menée ;

- Patiner (adhérence, friction) ;

- Gorge de la poulie ;

- Courroie ;

1ère

séance :

a) Questionnement initial Discussion collective durant laquelle l'enseignant note au tableau les réponses proposées par les élèves aux

questions :

- Qu'est-ce qu’un mouvement ? À quoi ça sert ? Citer des phénomènes mettant en jeu des mouvements.

Quels sont les différents éléments qui interviennent ? Citer différents types de mouvement. Qu'est-ce

que ça veut dire "un objet en mouvement" ?

- On devrait voir apparaître les termes bouger, se déplacer, aller vite, courir, etc.

Découverte du système d’engrenages d’une essoreuse à salade (Découvrir le principe de transmission de

mouvement).

1. Comment fait-on fonctionner cet appareil (dessin possible) ?

Se mettre d'accord, informer sur l'utilisation de l'objet essoreuse. Les différentes étapes, rotation rapide,

évacuation de l'eau (force centrifuge) à travers le panier.

2. Si on ne s'intéresse qu'à la partie couvercle. (observation -utilisation) que se passe-t-il quand tu tournes

la manivelle ?

La roue sous le couvercle tourne plus vite que la manivelle que l'on tourne à la main.

3. À quoi sert le mécanisme dans le couvercle de l'essoreuse à salade ?

Se mettre d'accord sur l'effet du mécanisme : accélérer le mouvement de rotation.

4. Comment cela peut-il fonctionner ? (dessin possible)

Faire ressurgir les différences pour construire une problématique. Par exemple : Quel système permet de

faire accélérer la roue sous le couvercle de l'essoreuse ? Les problèmes sont notés sur une affiche ou au

tableau au fur et à mesure.

5. Cite d'autres objets simples dans lesquels il y aurait un mécanisme.

Recueillir les propositions des élèves, demander une justification, faire repérer les contradictions, les

désaccords s'il y en a.

b) Utilisation de roues dentées :

Objectifs: Découvrir une fonction des roues dentées comme moyen de transmission du mouvement.

Inventer des appareils à engrenages, en décrire le mode d'action et les différents organes.

Matériel: Par groupe : Tout le matériel Celda nécessaire.

Déroulement Les élèves sont répartis en groupes.

Dans un premier temps, ils font des essais avec du matériel qu'ils ont choisi et l'enseignant les laisse

manipuler librement. C'est la phase de découverte du matériel (environ 10 min)

Ensuite, l'enseignant leur lance les défis suivants :

- Vous disposez maintenant de deux roues dentées ; faites tourner les deux roues sachant que vous n'avez

le droit d'en toucher qu'une seule. Essayez avec des roues de différentes tailles.

- Eventuellement, crémaillère, vis sans fin.

A chaque fois, ils doivent observer et énoncer de la façon la plus exacte possible ce qu'ils ont construit.

Enfin, l'enseignant propose un résumé commun à toute la classe afin que tous les élèves acquièrent une

culture scientifique commune. Ils doivent acquérir un vocabulaire spécifique à la transmission du

mouvement : roue dentée, dent, manivelle, transmettre le mouvement, entraîner, engrenage, s'engrener,

tourner dans un sens, etc.

2ème

séance:

Objectifs : Découvrir le principe de transmission de mouvement.

Découvrir le principe de surmultiplication, de démultiplication, de pignon intermédiaire.

a) Généralités Bien repérer l’entrée et la sortie du mouvement. L’entrée est l’endroit où l’on agit à l’origine (ex. : une

manivelle). La sortie est la dernière pièce en mouvement du système. Dans un système d’engrenage, la roue

dentée sur laquelle on agit, à l’entrée, est la roue menante. Les autres sont des roues menées.

b) Sens du mouvement : fiche N°1 (bibliothème CELDA) Emettre une hypothèse : que se passe-t-il si vous tournez la roue A ?

Valider son hypothèse en réalisant le montage.

Dans un engrenage constitué de deux roues dentées, la roue menante et la roue menée tournent en sens inverse.

Si le système comporte trois roues dentées, la roue A et la roue C tournent dans le même sens.

De manière générale, un nombre pair de roues conduit à inverser le sens de rotation, un nombre impair de

roues conserve le sens de rotation

c) La surmultiplication : fiche N°2 (bibliothème CELDA) Emettre une hypothèse : que se passe-t-il si vous tournez la roue bleue?

Valider son hypothèse en réalisant le montage.

Serrez l’arbre mené entre vos doigts et faites tourner la roue bleue. Que ressentez-vous ?

Si le mené a dents et le menant, combien de tours pensez-vous que le mené devra faire pendant que le menant

en fait un ? essayez d’imaginer puis testez.

Le petit pignon tourne plus vite que la grande roue menante et ils tournent dans des sens opposés. Cela

s’appelle une surmultiplication. Il est très dur de tourner la menante et très facile d’arrêter le mené (on perd de

la force à la sortie). Si le mené a dents et le menant , le mené fera tours lorsque le menant en fera un.

d) La démultiplication : fiche N°2 (bibliothème CELDA) Emettre une hypothèse : que se passe-t-il si vous tournez la roue rouge?

Valider son hypothèse en réalisant le montage.

Serrez l’arbre mené entre vos doigts et faites tourner la roue bleue. Que ressentez-vous ?

Combien de fois aura-t-on besoin de tourner le menant pour faire tourner une seule fois le mené ?

Le mené tourne moins vite que le menant et tous deux tournent dans des sens opposés : c’est la

démultiplication. La roue menante est plus facile à tourner et la roue menée est plus difficile à freiner (on

gagne de la force à la sortie). Si le mené a dents et le menant , il faudra tourner le menant fois pour que le

mené fasse un tour.

e) Le pignon intermédiaire : fiche N°2 (bibliothème CELDA) Emettre une hypothèse : que se passe-t-il si vous tournez la manivelle?

Valider son hypothèse en réalisant le montage.

Où se trouve le pignon intermédiaire et pourquoi l’appelle-t-on ainsi ? (on peut s’aider du dictionnaire)

Changez la taille du pignon intermédiaire, manœuvrez le système. Observez-vous des changements ?

Quelles sont les fonctions du pignon intermédiaire ?

La roue menante et la roue menée tournent dans le même sens. La roue dentée du milieu tourne dans le sens

inverse. Celle-ci porte le nom de pignon intermédiaire car elle est entre les deux autres. Le pignon

intermédiaire n’a pas d’effet sur la vitesse ou sur la force de rotation à la sortie, mais seulement sur le sens de

rotation. La taille de ce pignon n’a pas d’effet sur la sortie du mouvement. Un pignon intermédiaire peut être

utilisé pour changer le sens de rotation du mouvement final, mais aussi pour éloigner la roue menante de la

roue menée dans certains montages.

3ème

séance:

Objectifs Étudier les engrenages à travers un manège simple.

Repérer les axes de rotation :

- un axe de rotation est vertical quand la rotation se fait dans un plan horizontal.

- un axe de rotation est horizontal quand la rotation se fait dans un plan vertical.

Matériel Par groupe : le matériel Celda, en particulier les roues dentées, les supports et les barres.

Déroulement L'enseignant demande aux élèves s'ils connaissent des jeux ou des jouets comportant des engrenages.

Puis il leur annonce qu'ils vont construire un manège (un manège par groupe).

Tout d'abord les laisser réfléchir à la manière dont ils vont construire leur manège, avec quel matériel. Puis, une

fiche de fabrication permet de décomposer les étapes de la réalisation. Chaque étape correspond à un geste ou à

une action précise. Les élèves doivent suivre les instructions du montage de l’objet d’après la gamme de

fabrication.

Ensuite, leur imposer quelques contraintes :

- se servir d'une manivelle pour faire tourner la grande roue

- imposer le sens de rotation de la grande roue

- placer plusieurs roues dentées, faire tourner le manège le plus rapidement possible.

- la manivelle doit être dans un plan horizontal, et la grande roue dans un plan vertical.

Exemple d'un manège réalisable :

À la fin de cette séance, l'enseignant demande aux élèves s'ils connaissent des moyens pour faire tourner le

manège sans l'aide de la manivelle. Par exemple : le vent, l'eau et l'électricité.

Le manège

Pièce

n° n° 1 n° 3 n° 4 n° 5 n° 6 n° 7 n° 9 n° 11 n° 12 n° 13 n° 14 n° 19 n° 21

Nombre de pièces

2 5 1 1 1 1 1 3 4 1 4 1 1

4ème

séance:

Objectifs : Découvrir le principe de transmission de mouvement par poulies .

Découvrir le principe de démultiplication, de surmultiplication par poulies.

a) Observer les poulies, essayer de les décrire.

b) Dessiner une poulie

c) Sens de rotation 1. Réaliser le montage (3) de la fiche poulie N°1(bibliothème CELDA).

Que se passe-t-il lorsque l’on tourne l’une des roues ?

La roue que l’on tourne (poulie menante) entraîne l’autre roue (poulie menée) et la fait tourner dans le même

sens et à la même vitesse.

Que se passe-t-il si l’on freine la roue menée en continuant de tourner la roue menante ?

La courroie patine. Le glissement de la courroie de transmission est normal -> fonction de sécurité. Poulies et

courroies ne sont pas adaptées à la transmission trop importantes -> la limite de patinage est trop rapidement

atteinte.

Placer les poulies dans un trou plus loin et testez à nouveau le glissement.

Le glissement est moindre, mais la roue menante est plus dure à tourner à cause de la tension et donc des

frottements.

2. Réaliser le montage en croisant la courroie.

Que se passe-t-il lorsque l’on tourne l’une des roues ?

La roue que l’on tourne (poulie menante) entraîne l’autre roue (poulie menée) et la fait tourner dans le sens

inverse et à la même vitesse.

Que se passe-t-il si l’on freine la roue menée en continuant de tourner la roue menante ?

La courroie croisée patine moins que la courroie ouverte car la courroie croisée s’enroule un peu plus sur

chaque poulie.

3. Réaliser le montage de la fiche poulie N°2 et analyser le système (bibliothème CELDA).

d) Démultiplication de la vitesse de rotation Réaliser le montage de la fiche poulie N°3(bibliothème CELDA).

1. Expliquez ce qui se passe lorsque l’on fait tourner la petite poulie.

Les poulies tournent dans le même sens, mais la roue menante tourne plus vite que la roue menée.

2. Comptez le nombre de tours de chaque roue. Que constatez-vous ?

e) Surmultiplication de la vitesse de rotation 1. Expliquez ce qui se passe lorsque l’on fait tourner la grande poulie.

Les poulies tournent dans le même sens, mais la roue menante tourne plus vite que la roue menée.

2. Comptez le nombre de tours de chaque roue. Que constatez-vous ?

5ème

séance:

Objectifs : Amener les élèves à trouver comment faire accélérer un mouvement.

S'entraîner à partir d'un matériel donné à modéliser un objet réel.

Déroulement

Rappel et mise en situation : étude d'un objet particulier : l'essoreuse.

Les élèves ont devant eux un couvercle d'essoreuse à salade.

Reprise du problème noté lors de la première séance. Par exemple : Quel système permet de faire accélérer la

roue sous le couvercle de l'essoreuse ?

Défi : Inventer un système capable de reproduire les mouvements de l'essoreuse.

Collectivement, amener la classe à planifier les différentes tâches à réaliser.

Prévoir en groupe un type de maquette

1. Schématiser - lister le matériel nécessaire

2. Expérimenter - tester - noter les améliorations possibles

3. Premier regroupement et premiers échanges et comparaisons.

Exemple de mots clés pour structurer la feuille de travail : Ce que je pense : / Ce que je fais pour savoir : / Ce

que j'observe : / Ce que je peux dire : etc. ...

Souvent la résolution de ce type de problème n'est pas linéaire, par la suite les élèves vont améliorer

directement à partir de la construction. Ensuite les élèves pourront représenter le mécanisme réellement

construit avec quelques phrases d'explication.

Première synthèse : Mettre en évidence des ébauches de solution. Dégager des points clés : transmission-

accélération - sens de rotation. Le maître récupère quelques maquettes proposant des ébauches de solutions.

Obstacles pouvant être rencontrés : Certains groupes oublient dans leur maquette la partie châssis qui

supporte les parties mobiles roues dentées ou bien poulies-courroies. Parfois le mouvement ne se transmet ou

ne se transforme pas. Le système proposé ne fait que transmettre le mouvement sans produire d'accélération.

Rôle de la synthèse : Amener les élèves à comparer les premières productions pour mettre à jour les problèmes

comme ceux relevés ci-dessus.

Selon l'avancement des groupes, il est possible de demander à certains groupes de prendre en compte le sens

de rotation. Trouver une solution pour que le panier tourne dans le même sens que la poignée.

Inciter les élèves à dessiner le plus efficacement possible le système de maquette mis en place.

Synthèse Collective

Comparaison des différents dessins.

Opérer des regroupements - des appariements entre dessin et production.

Faire apparaître les problèmes de représentation s'il y en a (grâce aux appariements)

Faire argumenter sur l'intérêt de telle ou telle solution.

Dégager des connaissances conceptualisées.

Exemple :

Le mécanisme de l'essoreuse à salade permet d'accélérer le mouvement. Pour cela il y a plusieurs solutions

techniques.

Maquettes possibles du mécanisme de l'essoreuse à salade.

Un système avec roue dentées.

Attention avec ce montage le sens de rotation est inversé par rapport au départ.

En plaçant une troisième roue, le sens d'origine est rétabli

Un système avec poulies et courroie.

Attention c'est la grande poulie qui doit faire tourner la petite.