Les leviers, séance 3: la machine égyptienne.

 

Séance 3.

Construisons une machine à soulever des gros boulons…

Aperçu rapide:

            Les élèves construisent des machines à bases de leviers à partir du modèle d’une « machine égyptienne ». La séance est un réinvestissement de la séance2.

Matériel :

-         On exploite le matériel de construction « Celda » de la salle de science : Pour un groupe d’élèves : 3 barres de 11 trous, 1 tige rouge de 4 cm, 2 raccords rouges à « pointe », 1 plaque grise (base), de la ficelle, 1 gros écrou, 1 petit écrou.

-         Un modèle du dispositif illustré par la vignette « figure5 » (issue du livret d’accompagnement des programmes « Enseigner les sciences à l’école, cycle 3 » édité au Scéren) réalisé avec le matériel Celda.

-         La balance de la classe.

-         On utilise les vignettes issues du livret d’accompagnement des programmes « Enseigner les sciences à l’école, cycle 3 » édité au Scéren., figures 5 et 6 de la séance 2 « Comment les hommes des temps anciens soulevaient-ils des charges ? »

-         Des photographies « solutions » sont en annexe  (page 3)

1)      Phase de recherche :

Collectivement :

            L’enseignant évoque quelques constructions réalisées depuis l’aube de l’humanité avant que n’existent les machines motorisées. Il peut s’appuyer sur la construction des pyramides dont il présente quelques images ou quelques photos en évoquant le caractère énigmatique qui règne encore sur les techniques mises en œuvre au regard de l’énormité des masses à soulever (des rampes faiblement inclinées et des leviers ?).

Des références sont proposées en page 2.

Par petits groupes :

            Le maître distribue la vignette représentant le dispositif égyptien permettant de soulever ou de déplacer des blocs de pierre (document Arkéo Junior, décembre 2000).

            Les élèves listent le matériel puis réalisent le modèle réduit de la figure. Pour ce faire, on demande à chaque groupe de venir observer le modèle ( sur ce modèle, les boulons ne sont pas attachés afin d’obliger à un réinvestissement des apprentissages construits en deuxième séance).

Mais attention, chaque groupe n’a le droit qu’à trois déplacements vers ce modèle. Ainsi, on oblige les élèves à une observation précise. Certains penseront à venir avec une feuille et un crayon pour noter, faire un croquis. Ce type de démarche sera valorisé lors de la mise en commun.

2)    Mise en commun :

Collectivement :

            Le maître oriente vers la question suivante : Nos dispositifs permettent-ils de réduire l’effort nécessaire ?

La maquette de la figure 5 ne permet pas nécessairement de répondre : le plaisir de la construction et du jeu est souvent prépondérant par rapport à l’étude précise des efforts à exercer. Mais, on espère que la différence de taille et de poids des écrous (à la pesée, le gros écrou pèse 7 grammes alors que le petit n’en accuse que 1,1 gramme) feront naître l’idée d’économie d’effort (« il y a besoin de moins de poids »). On pèsera les écrous en présence des élèves, à l’issue de l’investigation (ou bien sur demande des enfants).

On tentera ensemble de soulever encore plus lourd… (il faudra éloigner encore le contre-poids, ou bien augmenter ce contre-poids mais cette dernière solution ne va pas dans le sens de notre défi : réduire l’effort nécessaire.

            On ne cherche donc pas encore à conclure mais on se contente de formuler la question et d’en garder la mémoire. Le mot levier, dont il est utile de rappeler qu’il vient de lever, est introduit à partir de l’examen de ce que ces deux vignettes ont en commun.

Synthèse :

            On engage les élèves à élaborer une première formulation qui sera enrichie au fil des séances. Les idées fortes, à ce stade de la séquence, sont les suivantes :

Les mots en couleurs seront explicités.

-         Pour soulever une charge, on utilise un levier.

-         Le mot levier vient du verbe lever.

-         Un levier est une tige rigide qui peut pivoter autour d’un axe de rotation, le pivot, ou point d’appui.

-         On place l’axe le plus près de la charge.

-         On place le contre-poids le plus loin possible de la charge.

-         À l’aide d’un levier, on peut soulever de lourdes charges, à condition de placer l’axe près de la charge.

On explique brièvement la théorie de la construction des pyramides par empilements successifs et utilisation d’un levier.

Une référence documentaire :

http://perso.orange.fr/construction.des.pyramides/ . Un site qui propose des croquis pour imaginer la construction des pyramides. Et d’autres informations très enrichissantes sur les pyramides égyptiennes. Cliquez sur la pyramide de Khéops et laissez-vous guider par le menu. Il faudra accompagner les élèves dans la lecture.

http://mathematiques.scola.ac-paris.fr/pedago/tpe/constpyr/construc.htm#mode . Une étude très complète et plusieurs propositions quant à la construction des pyramides (machine d’Hérodote, accroissement pyramidal…). Ce site propose une fantastique « leçon » de géométrie appliquée qu’il vous faudra également avoir bien lue avant d’accompagner vos élèves !

Bilan de séance : Les élèves élaborent rapidement leurs constructions. Seul un groupe compte les trous du levier pour positionner l’axe. Les autres se contentent d’observer qu’il y a une grande et une petite longueur. C’est par l’expérimentation, quand il faut soulever le gros boulon, qu’ils travaillent sur la position de l’axe.

A remarquer que certains groupes déplacent la charge vers l’axe au lieu de déplacer l’axe vers la charge : ils ont raccourci la longueur mais ne pourront après la rallonger du côté du contre-poids.

Le contre-poids, lui, a été immédiatement fixé en extrémité de levier, sur la section la plus longue (le plus loin possible de l’axe).

La trace écrite élaborée avec les élèves est la suivante :

-         Pour soulever le gros boulon, on rapproche l’axe (de la masse à soulever).

-         Pour soulever une masse encore plus grande, on rallonge le levier pour éloigner le petit boulon de l’axe. (Cette phrase répond à une question du maître).

Les deux phrases sont à chaque fois illustrées d’un dessin explicatif

Les enfants ont bien réinvestis les apprentissages de la séance précédente. Ces apprentissages sont renforcés par la séance d’aujourd’hui.