Batteur à œufs ou chignole : le mouvement de rotation

3- La chignole
Auteurs : Travail collectif(plus d'infos)
Résumé :
Les élèves s'intéressent plus particulièrement à la transmission de mouvements. Ils étudient la chignole qui présente des similitudes avec le batteur mécanique, notamment au niveau du changement du plan de rotation et de l'accélération du mouvement.
Publication : 1 Janvier 1996
Objectif :
Identifier ce qui, dans un système, est à l'origine de la modification qui s'opère entre un mouvement d'entrée et un mouvement de sortie, en particulier au niveau de la direction de la rotation.
Matériel :

Pour la classe :
- un marteau et des pointes, des vis et un tournevis, des vrilles de différentes tailles, quelques chignoles, un vilebrequin, une perceuse.
- des matériaux variés dont du bois de différentes essences, des plaques de métal, des morceaux de parpaings, des pierres, des briques etc.
Pour chaque groupe :
- des roues, des engrenages...

Dans le cadre d’un projet, les enfants ont besoin de percer des matériaux.

Situation de départ (Phase collective)

Quels sont les moyens utilisés pour percer un mur, du bois, du métal ?

Exemples de propositions faites par les élèves
-"On peut utiliser un marteau, ..., une perceuse."
"Il faut taper fort, ..., ou tourner vite."
"Avec le bois, on peut prendre une vrille, ..., comme un tire-bouchon."

Peut-on utiliser n’importe quel moyen pour les différents matériaux ?

Exemples d'expériences proposées par les élèves :
"On va percer des plaques de bois, des parpaings, avec la vrille, la chignole, la perceuse et voir ce qui marche le mieux."

Essais des différents outils

Chaque groupe reçoit des échantillons de bois, parpaing, plaque de métal, etc.… et les outils ( par exemple vrille, chignole, vilebrequin, tamponnoir, perceuse sans fil) sont mis à disposition à la demande.

Pour guider l’observation détaillée de chaque outil le maître peut poser les questions suivantes :
- Quelle est la partie qui perce ?
- Quel(s) geste(s) faut-il faire ?
- Quels sont les différents mouvements observés ?
- Voyez-vous des ressemblances entre ces différents moyens ?

Lors des essais de perçage, les enfants feront des observations sur :
- le niveau de difficulté,
- les contraintes particulières (courant électrique, force, habileté),
- l'efficacité sur les différents matériaux.

En collectif, discussion sur ce qui caractérise chaque action, (taper, tourner, brancher, appuyer, maintenir etc.), sur ce qui la rend plus efficace (force et vitesse du geste, stabilité de l’ensemble), sur celle qui semble la plus opérationnelle en fonction du matériau à percer et des contraintes spécifiques (courant électrique ou non, force, habileté de l'opérateur).

Observation détaillée de la chignole (objet technique présentant des similitudes avec le batteur mécanique étudié précédemment, en particulier au niveau du changement du plan de rotation et de l'accélération du mouvement.)
- ce qui sert à percer : la mèche ;
- ce qui sert à tenir : la (ou les) poignée(s) ;
- ce qui sert à entrer le mouvement : la manivelle ;
- ce qui sert à tenir les pièces ensemble : le support ;

Formulation du nouveau problème :
Comment un mouvement lent, dans un plan vertical (la manivelle) peut-il se transformer en mouvement rapide, dans un plan horizontal (la mèche) ? (A noter qu’il n’est pas évident d’identifier dans quel plan la main tourne et dans quel plan un point de la mèche se meut !)
Quelles sont les pièces mises en œuvre ?
Ouverture du carter (par le maître ?) et observation des roues dentées (engrenages)
Dessin de l'objet au tableau avec mise en place du vocabulaire.

La maquette

Distribution de pièces (toutes prêtes, type matériel didactique) avec consigne de réaliser un montage fonctionnant comme la chignole.
(Si les élèves utilisent 3 roues dentées à la suite, ils repèreront les sens de rotation des roues paires, impaires…)

Le mot du maître :
Après une phase de tâtonnements les élèves sont invités à identifier :
 - l’ensemble des deux pièces qui modifie le plan de rotation,
 - « l’endroit » précis où le mouvement s’accélère,
 - celui où le mouvement change de sens.

Les élèves peuvent ensuite réaliser des petits montages spécifiques, « à la demande » pour mettre en évidence isolément les fonctions suivantes : changement de sens, de direction, de vitesse.

Au fil de la séquence, « mettre en mots » les différents éléments du montage : pignon, moteur, mené, multiplication etc.
- Renseigner parallèlement et individuellement le cahier d'expériences.
- Effectuer des mesures : rapport du nombre de tours au nombre de dents.
- Schématiser des réalisations.

Apports théoriques :
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). Les dents sont identiques, quel que soit le diamètre de la roue dentée. Le nombre de dents est en rapport avec le diamètre (ou la « taille », ou la circonférence) de la roue dentée).
Si on veut obtenir un mouvement perpendiculaire au mouvement d'entrée, il convient de positionner deux roues dentées perpendiculairement.
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).

Le mot du maître :
C’est une partie difficile à mettre en oeuvre du fait de la multiplicité des montages proposés. Il serait aussi nécessaire de mettre en place plusieurs situations de découverte avec des pignons nombreux et différents.
 Renseigner le cahier parallèlement à la manipulation n’est pas facile pour les élèves.

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