Batteur à œufs ou chignole : le mouvement de rotation

2- Vitesse et direction du mouvement dans un batteur mécanique
Auteurs : Travail collectif(plus d'infos)
Résumé :
les élèves s'intéressent aux vitesses de rotation du mouvement dans des batteurs mécaniques et découvrent que la vitesse à laquelle on tourne la manivelle est plus lente que la vitesse à laquelle tournent les fouets : les engrenages sont responsables, par leur nombre de dents, de la variation de vitesse entre entrée et sortie.
Publication : 1 Janvier 1996
Objectif :
Repérer les modifications qui s'opèrent entre un mouvement d'entrée et un mouvement de sortie et identifier dans un système ce qui est à l'origine de ces modifications.
Matériel :

Pour la classe :
- quelques batteurs électriques et mécaniques avec 1 et 2 fouets.
Pour chaque groupe :
- des roues, des engrenages...

Etudes des différents moyens utilisés

Quelles sont les différences et les ressemblances entre les moyens utilisés pour monter les œufs en neige ?
Comment, à votre avis, obtient-on un mouvement rapide ?

Exemples de réponses faites par les élèves
Au sujet du batteur mécanique :
-« En tournant vite »
"Il faut des roues, plein de dents…" ;

Au sujet du batteur électrique :
-"C'est le courant qui accélère." ;
« Cela dépend de la vitesse que l’on sélectionne »
"Il faut un moteur."

Exemples d'investigations proposées par les élèves. A noter que ces « expériences » ne permettent pas de valider « une à une » les affirmations des élèves ! Leur curiosité les entraîne à dépasser - voire oublier- le questionnement initial :
-"On va ouvrir le batteur électrique pour voir s'il y a un moteur."
"On va compter les dents du batteur mécanique et faire tourner tout doucement."
"On va en faire un avec les roues CELDA."

Phase d’investigations, de découvertes

Démontage et observation du batteur électrique et observation détaillée du batteur mécanique.

Le mot du maître : le batteur électrique est ouvert par le maître et circule de groupe en groupe ; pour le batteur mécanique, chaque groupe en reçoit un, ce qui permet des manipulations répétées.
- Qu'est ce qui, dans les deux appareils, produit le mouvement ? (roues dentées, engrenages)
- Quelle est la source d'énergie ? (muscles, électricité pour le batteur électrique)

-Il y a des engrenages dans le batteur à main, y en a-t-il dans le batteur électrique ?
-Quels mouvements peut-on y repérer ?
-Les parties en mouvement tournent-elles à la même vitesse ?
- Les éléments qui tournent, le font-ils tous dans le même sens ? (La réponse à cette question fera prendre conscience des différents plans).
-Essayez de découvrir et d'expliquer ce qui, dans différents appareils et montages, génère une augmentation de la vitesse
-Recherchez de ce qui permet de modifier le plan de rotation et le sens d'un mouvement ( nombre de roues).

Etude des engrenages

Recherche de l'origine de la modification de la vitesse dans un engrenage :
- Dessin des roues dentées.
- Observation fine de l'entraînement de la roue menée par la roue qui mène. Dans le cas du batteur mécanique à deux fouets, il peut y avoir deux roues menées, qui, identiques, tournent à la même vitesse.
- Comptage du nombre de dents et du nombre de tours, relevé de comptages, puis organisation des données sous forme de tableaux.
- Observation et critique des productions réalisées.

Formulation des acquis

Les enfants renseignent parallèlement et individuellement le cahier d'expériences.
Formulation du problème: Comment obtenir une vitesse de rotation plus importante à partir d’une roue menée donnée.
Mesures à effectuer : rapport du nombre de tours au nombre de dents.
Schématisation des réalisations.

La transmission du mouvement peut se faire par des roues dentées. La roue « motrice » entraîne la (ou les) roue(s) menée(s) par « déplacement » successif des dents. Dans un système d'engrenage, plus le nombre de dents d'une roue est petit, plus elle tourne vite (si la roue menée a 2 fois moins de dents, elle tournera 2 fois plus vite).

Le mot de la Main à la pâte 
Dans la mesure où la classe dispose de matériels spécifique (Celda, Opitec, Pierron, Légo…) il serait bien de proposer aux élèves de construire des maquettes permettant de reproduire le même phénomène.

Prolongements - Réinvestissement éventuels

Exploitation en mathématiques de situations de proportionnalité. Recherches sur la permanence du rapport nombre de dents / nombre de tours, quelle que soit l'organisation interne du système (orientation de pièces, chaîne).

Document(s) utilisé(s):
Quelques catalogues d'électroménager pour illustrer les cahiers d'expériences.

Le mot du maître :
Il est très difficile pour les élèves de représenter un système en 3 dimensions et de rendre compte à la fois du plan de rotation et de l’ensemble « support-roues dentées ».
Quelles que soient les difficultés rencontrées, tous les groupes ont réalisé une maquette fonctionnelle, correspondant à l'objectif assigné, le matériel de type Celda , ar exemple, ne posant aucun problème d'appropriation.
Comme les rotations ne s’effectuent pas dans le même plan, les enfants ne voient pas d’emblée qu’il y a inversion du sens de rotation d’une roue dentée à l’autre.