crpe

La Transmission du mouvement

TRANSMISSIONS DU MOUVEMENT

 

 

I - DEFINITIONS

 

Un mécanisme est un ensemble de pièces organisées pour obtenir un mouvement.

 

Au cours d'un déplacement :

  • un corps présente un mouvement de translation si tous les points de celui-ci décrivent des trajectoires parallèles (ex : un tiroir effectue un mouvement de translation le long des glissières de son casier).
  • Un corps présente un mouvement de rotation si un point ou un axe de celui-ci reste fixe (ex : une porte en rotation autour de ses gonds) ou si tous les points du solide sont toujours à la même distance de l'axe de rotation (ex : cycliste sur une piste circulaire).
  • Un corps présente un mouvement hélicoïdal si ce mouvement est obtenu par la combinaison d'une rotation autour d'un axe et d'une translation de cet axe (ex : une vis que l'on visse dans un mur).

 

Un mouvement peut être continu (toujours dans le même sens) ou alternatif (changement périodique de sens).

 

Les «poulie, came, roue dentée, pignon, chaîne, courroie... » sont des noms de pièces mécaniques.

Les systèmes « poulies/courroie, engrenages, roue dentée/vis sans fin, bielle/manivelle ... » sont des noms de dispositifs mécaniques composés de pièces mécaniques.

 

 

 

 

II - MECANISMES SIMPLES

Pour pouvoir différencier les dispositifs assurant des transmissions ou des transformations de mouvements.

 

1)      Systèmes de transmission de mouvements :

Il y a transmission de mouvements quand on retrouve à la sortie du dispositif le même type de mouvement qu'à l'entrée.

Dispositifs :

  • poulies/courroies : rotation-rotation (ex : machine à coudre, ventilateur, téléski...).
  • Pignons/chaîne : rotation-rotation (ex : bicyclette...
  • Engrenages : rotation-rotation (ex : essoreuse à salade, montre...).
  • Roue dentée/vis sans fin : rotation-rotation (ex : barrière d'un passage à niveau).

 

2)      Système de transformation de mouvements :

Il y a transformation d'un mouvement quand on retrouve, à la sortie du dispositif, un mouvement de nature différente de celui de l'entrée.

Dispositifs :

  • treuil : rotation-translation (ex : grue, moulinet de canne à pêche...).
  • came/tige ou excentrique/tige : rotation continue - translation en va-et-vient (ex : boite à musique, jouets...).
  • bielle/manivelle : rotation continue - translation ou rotation en va-et-vient (ex : machine à coudre, moteur à explosion, meule ...).
  • roue dentée/crémaillère : rotation-translation (ex : tire-bouchon à bras, cric...).
  • vis sans fin/crémaillère : rotation-translation (ex : clef à molette, étau...).
  • vis/écrou : rotation-translation (ex : serre-joint, cric, pressoir...).

 

 

 

 

III - NOTIONS DE LIAISONS

Pour pouvoir reconnaître les différents types de liaisons dans les objets et pour pouvoir justifier le choix d'une technique de fabrication d'un objet.

 

En technologie, une liaison est la manière dont 2 pièces mécaniques sont assemblées entre elles.

Une liaison est :

-          Complète si les 2 pièces liées ne peuvent pas avoir de mouvement l'une par rapport à l'autre.

-          Partielle si l'une des 2 pièces liées peut avoir un mouvement par rapport à l'autre

-          Démontable si les 2 pièves sont aisément séparables sans être dégradées (technique de vissage, d'attache parisienne...).

-          Permanente si elles sont inséparables (technique de collage, de soudage...).

-          Elastique quand il y a un ressort

-          Rigide quand il n'y a pas de ressort.

 

 

IV - CHAINE DE TRANSMISSION DU MOUVEMENT

Comment fonctionne un objet ?

On peut transcrire l'ensemble du mécanisme sous forme d'une chaîne de transmission de mouvements. Cette chaîne doit permettre de situer chronologiquement l'enchaînement de tous les mouvements contribuant à la transmission ou la transformation du mouvement de l'entrée à la sortie de l'objet.

Ex : l'essoreuse à salade.

 

Main motrice ►mouvement de rotation de la manivelle ►mouvement de rotation de la 1ère roue dentée ►mouvement de rotation de la 2è roue dentée ►mouvement de rotation des crochets ►mouvement de rotation du panier.

 

 

V - CARACTERISTIQUES DE QUELQUES MECANISMES

 

1)      Le système poulies/courroie :

Ce dispositif, qui assure la transmission d'un mouvement de rotation à distance renferme au minimum 2 poulies et une courroie.

Poulie : roue portée par un axe et dont la jante est aménagée pour recevoir une courroie.

Réa : roue dont le pourtour est creusé en forme de gorge.

Courroie : organe de transmission constitué par une bande souple. Met en liaison 2 poulies.

 

  • deux poulies reliées par une courroie directe ont le même sens de rotation
  • deux poulies reliées par une courroie croisée ont des sens de rotation inverses.
  • Relation entre le nombre de tours effectués et le diamètre des poulies :

-          2 poulies de même diamètre effectuent le même nombre de tours

-          2 poulies de diamètres : poulie A de diamètre d, effectuant n tours

                                                       poulie B de diamètre D, effectuant N tours

                                                                                    nxd = NxD            

                                             Soit K, le rapport de transmission : K = N/n = d/D

 

2)      Le système « engrenages » :

Un engrenage simple est constitué de 2 roues dentées. Parmi ces roues dentées, l'une est la roue menante (directement liée à la source d'énergie) qui entraîne par contact la roue menée.

Un train d'engrenage comporte plusieurs roues dentées sur un même axe.

Un pignon est la plus petite des roues dentées d'un engrenage ou  d'un système « roue dentée/chaîne ».

  • 2 roues dentées qui s'égrènent ont des sens de rotation inverses
  • 2 roues dentées de diamètre identique (même nombre de dents) qui s'égrènent, ont des vitesses de rotation identiques.

 

Soit A la roue d'entrée, N1 son nombre de tours et D1 son nombre de dents

Soit B la roue de sortie, N2 son nombre de tours et D2 son nombre de dents

                        N2xD2 = N1xD1                               N2/N1 = D1/D2

  • 2 roues dentées de diamètre différent et présentant un nombre de dents différents, qui s'égrènent, ont des vitesses de rotation différentes.

K = Nombre de tours de la roue de sortie / nombre de tours de la roue d'entrée

Si K  > 1, la roue de sortie va plus vite : système multiplicateur

Si k < 1, la roue de sortie va moins vite : système démultiplicateur

 

3)      Le système « vis sans fin / roue dentée » :

La vis sans fin, inventée par Archimède, a l'allure d'un cylindre présentant un filetage, régulièrement réparti d'une extrémité à l'autre.

Un tour complet de la vis sans fin fait tourner la roue dentée d'une seule dent. La vis sans fin est souvent utilisée pour obtenir une grande réduction de vitesse et une augmentation de force.

 

4)      Le système « came/tige » :

Une came est une pièce mécanique non circulaire à laquelle est imprimé un mouvement de rotation et destiné à transmettre le mouvement d'une tige. Elle transforme le mouvement de rotation en un mouvement de translation alternatif (ex : jeu de la tête dansante).

L'amplitude du mouvement est liée aux dimensions de la came

 

5)      Le système « bielle/manivelle » :

La bielle est une tige rigide, articulée, à ses 2 extrémités, destinée à la transmission du mouvement entre 2 pièces mobiles.

La manivelle est un organe de machine auquel est imprimé un mouvement de rotation.

Dans ce système, un mouvement de rotation est imprimé à la manivelle et la bielle assure la transformation du mouvement à une autre pièce, tel le piston.

Ce dispositif est réversible. L'amplitude du mouvement est lié à la distance.

 

EXTRAIT D'UN MANUEL (Physique-Bio-Techno - CM - Hachette)

 

LE MOUVEMENT : TRANSMISSION ET TRANSFORMATION

 

PHOTOS :

-          Pelleteuse mécanique (observe les tuyaux flexibles. Que contiennent ils ? a quoi servent ils ?

-          Perceuse dans un atelier (comment est transmis à la mèche le mouvement de rotation du moteur ? y a-t-il plusieurs poulies ?)

-          Une transmission sans chaîne (cette moto n'a pas de chaîne. Dans quel sens doit tourner l'arbre de transmission pour faire avancer la moto ? tourne -t-il plus vite que la roue ? a quoi sert le pignon cranté ? pour une bicyclette, comment le mouvement des pédales est-il transmis aux roues ? un tour de pédale correspond-il à un tour de roue ? quel est l'intérêt d'avoir plusieurs pignons ?).

-          Boite de vitesses d'une voiture (a quoi servent tous les engrenages ?).

 

1)      Transmission d'un mouvement :

Le jardinier qui pousse la brouette, la voiture qui tire la caravane, transmettent directement leur mouvement aux objets qu'ils poussent ou qu'ils tirent. Lorsque tu appuies sur les pédales de ta bicyclette, tu transmets ton mouvement au pédalier qui tourne autour de son axe : le pédalier est alors animé d'un mouvement de rotation. La chaîne qui relie les roues dentées (plateau et pignon) transmet ce mouvement de rotation à la roue arrière, appelée « roue motrice ».

Un moteur provoque un mouvement de rotation de son axe appelé « arbre moteur ». Ce mouvement doit être transmis à l'objet à mouvoir : roue motrice de la moto, ventilateur de l'automobile, mèche de la perceuse...

Des pignons dentés et une chaîne, des poulies et une courroie de transmission ou encore des engrenages, permettent de transmettre un mouvement de rotation.

Par ailleurs, lorsqu'on appuie sur la pédale du frein d'une automobile, le mouvement est transmis au dispositif de freinage par un liquide enfermé dans une succession de tubes. De même, le mouvement d'une pelle mécanique est transmis par de l'huile contenue dans des tuyaux. Les vibrations d'un manteau piqueur sont transmises par l'air comprimé fourni par le compresseur. Dans ces 3 exemples, il s'agit d'une transmission du mouvement par l'intermédiaire d'un fluide.

 

2)      Transformation d'un mouvement :

Pour tirer le seau d'un puits, on utilise une poulie et une corde : le mouvement, vers le bas, pour tirer la corde, est transformé grâce à la poulie, en un mouvement vers le haut, du seau qui monte.

A l'intérieur d'un moteur d'automobile, le piston effectue un mouvement de va-et-vient très rapide. L'ingénieux système « bielle/manivelle » permet de transformer ce mouvement de va-et-vient en un mouvement de rotation de l'arbre moteur.

Entraînée par l'arbre moteur, une petite roue dentée, tournant très vite, peut entraîner à son tour une grande roue dentée et la faire tourner plus lentement. C'est sur ce principe que fonctionne la boite de vitesse, avec ses engrenages qui permettent de choisir la vitesse du mouvement de rotation transmis aux roues motrices de l'automobile.

 

Engrenage : succession de roues dentées.

Fluide : liquide (eau, huile) ou gaz (air...).

 

 

RECHERCHES :

-          Observe l'intérieur d'une horloge. Comment le mouvement est-il transmis aux aiguilles ?

-          Si tu possèdes une essoreuse à salade, observe comment est transmis le mouvement.

-          Une roue dentée de 24 dents entraîne une roue dentée de 48 dents. Lorsque la 1ère a fait 100 tours, combien la 2nde en a-t-elle fait ?

 

 

TECHNOLOGIE :

-          Fabrication d'un engrenage en carton (décalquer les roues ; percer le centre des roues ; les fixer sur un support ; faire tourner la petite pour qu'elle entraîne la grande).

-          Fabrication d'un système « bielle/manivelle ».

 

 

 

DOCUMENT :    La bicyclette.

Des progrès dans la transmission des mouvements.

 

-          Draisienne en 1825 ; le grand Bi (1880) ; vélocipèdes Michaux (1865) ; bicyclette aujourd'hui.

-          Historique de la bicyclette.

-          Enquête :

  • La bicyclette a été délaissée il y a plusieurs années. Elle revient à la mode. Quelles en sont les raisons ?
  • Pour un plateau de 46 dents, un pignon de 18 dents, les cyclistes disent « braquet 46x18 ». sur ton vélo, quels sont les « braquets » ? quel braquet adopte-t-on en côte ? en descente ?
  • En un tour de pédale, avec un grand braquet avance-t-on davantage qu'avec un petit braquet ? renseigne-toi auprès d'un marchand de cycles.
  • Connais-tu le record de l'heure sur piste en cyclisme ? qui le détient ? quel braquet a-t-il utilisé pour le réaliser ?

 

 

EXTRAIT DE « 12 sujets de Sciences corrigés » Ed. TEMPES

 

 

Thème : transmission de mouvements

 

Doc. 1 : Extraits des I O

Programme : monde construit par l'homme

-          leviers et balances ; équilibre

-          objets mécaniques ; transmission de mouvements

Commentaires : (dans le cadre d'une réalisation)

-          recherche de solutions techniques

-          choix et utilisation raisonnée d'objets/de matériaux

-          élaboration d'une démarche d'observation et de recherche.

 

Doc. 2 : Mise en situation pédagogique 

Un maître de CE2 envisage avec sa classe la construction, pour Halloween, d'un pantin articulé représentant une chauve-souris constituée de différentes pièces en papier Canson coloré, collées par superposition (cette manière de faire aura l'avantage d'éviter des décorations pouvant nuire à l'esthétique du produit final). La chauve-souris soulèvera ses ailes sous l'effet de la traction d'un fil ;

L'objectif principal abordé au cours de la séance portera essentiellement sur les notions de levier, de transmission et de transformation (simple) de mouvement. Les notions d'effort et d'équilibre ne sont pas pour l'instant abordés.

Un prototype réalisé par le maître (voir docs 4 et 5), sera montré aux élèves en veillant à cacher, dans un 1er temps, le mécanisme qui actionne les ailes.

Il est à noter que les notions de mouvement et d'axes de rotation ont été abordées préalablement dans le cadre de la construction d'un pantin en biologie. Il s'agissait, en se référant à son propre corps, de couper le pantin en cartoline aux différents endroits où des articulations étaient présentes. Il était ensuite reconstitué à l'aide d'attaches parisiennes. Ce qui permettait aux enfants de montrer le mouvement possible d'une pièce par rapport à l'autre.

Après un « déballage verbal » pendant lequel les enfants sont amenés à s'exprimer sur la présence des pièces fixes et mobiles et à émettre des hypothèses concernant le mécanisme, l'enseignant leur propose de les mettre en situation de recherche par groupes. Il fournit à chacun des pièces en carton préalablement percées, des attaches parisiennes et de la ficelle. L'enfant ayant saisi la fonction de l'attache parisienne en tant qu'axe de rotation (lors de la fabrication du pantin, en bio), le maître se contentera, pour l'instant, d'essayer d'obtenir de chacun, la rotation d'une pièce par rapport à l'autre, au moyen d'une  simple traction sur la ficelle.

Se posera alors la question suivante : où doit-on attacher la ficelle sur le mécanisme pour que la pièce représentant l'aile de la chauve-souris se lève quand on tire dessus ?

Après résolution du problème concernant le lien entre les 2 pièces, une recherche est rapidement menée en vue de réaliser une maquette complète. Or, en examinant divers prototypes en cours de réalisation, on s'aperçoit que l'amplitude du mouvement des ailes n'est pas identique pour chaque groupe. Une nouvelle question se pose : Où doit-on précisément attacher la ficelle afin que l'amplitude du mouvement de l'aile soit la plus grande possible ?

Une maquette didactique réalisée par le maître permet à l'élève, par différentes manipulations, de comprendre l'importance de la position de l'axe de rotation de l'aile par rapport au point d'attache de la ficelle, afin d'obtenir une amplitude de mouvement maximale. Cette 2ème question étant résolue, les élèves passent à la construction de l'objet.

 

Doc. 3 : Les différentes pièces pour la construction (dessins).

Doc. 4 : Prototype réalisé par le maître (face avant, en position haute).

Doc. 5 : Prototype réalisé par le maître (face arrière, en position haute).

 

Matériel remis au candidat avec le dossier :

-          papier cartonné, attaches parisiennes, fil, colle, pince perforatrice, ciseaux, double décimètre ;

 

 

Indications au candidat :

Au cours de l'exposé devant le jury, le candidat devra :

-          faire une présentation générale du contenu du dossier

-          décrire quelques systèmes de transmission et de transformation (simple) de mouvement qu'il connaît.

-          donner pour chaque type de système rencontré, des exemples d'application de la vie courante

-          argumenter sa prestation à l'aide du matériel mis à sa disposition, afin de montrer au jury sa capacité à réaliser une maquette à but pédagogique

-          répondre à une série de questions préalablement préparées (liste ci-dessous).

 

1)      A quel type de transformation (simple) de mouvement a-t-on affaire dans la réalisation de la chauve souris ?

2)      La longueur du fil entre les 2 ailes est-elle importante pour assurer un bon fonctionnement du mécanisme ? peut-on se permettre de la diminuer ? Pourquoi ?

3)      Peut-on remplacer les ficelles par un ou des éléments rigides ? Si oui, sous quelles conditions ?

4)      Quelles précautions doit-on prendre au montage des différents éléments pour assurer au final un bon fonctionnement du mécanisme ?

5)      Pouvez-vous proposer au jury, avec les moyens mis à votre disposition, une maquette didactique permettant d'expliquer aux élèves l'influence du point d'articulation sur l'amplitude du mouvement ?

6)      En observant l'envers de la chauve-souris, on peut observer des clous collés sur le bord de ses ailes : quelles notions le maître a-t-il voulu  faire intervenir ?

7)      Comment envisager-vous, sur le plan de l'organisation, la phase réelle de fabrication de la chauve-souris avec les enfants ?

8)      En prolongement à cette séance, quelle(s) autre(s) activités(s) jugez-vous possible de mettre en œuvre ?

 

 

Exposé et questions corrigées :

 

I - Présentation du contenu du dossier

Le dossier contient des documents pédagogiques et des moyens matériels permettant de faire découvrir et de réaliser en classe de CE2 le pantin d'une chauve-souris.

La réalisation envisagée semble s'appuyer sur l'ensemble du programme de mécanique de l'école au cycle 3 : notions de levier, d'équilibre et de transmission de mouvement (Cf. doc. 1). Cependant, les mouvements des ailes de la chauve-souris entrent dans la catégorie des mouvements de rotation, alors que la traction sur le fil du mécanisme constitue un mouvement de translation : il y a donc transformation d'un mouvement de translation en un mouvement de rotation, mais cette transformation est couramment utilisées par des enfants qui actionnent des pantins pour représenter les mouvements du corps humain (Cf. doc. 2 : construction préalable en bio).

Le doc. 2 donne de précieuses indications, à la fois pédagogiques et techniques, sur la manière de faire découvrir aux enfants un mécanisme qu'ils ont utilisé mais qu'ils n'ont sans doute encore jamais réalisé par eux-mêmes. Deux questions successives guideront l'élève vers la recherche de l'efficacité maximale du mécanisme.

Le doc. 3 présente, en grandeur réelle, les différentes pièces à assembler, par collages en superposition, pour obtenir la chauve-souris animée dont la face avant (en position haute) constitue le doc. 4 et la face arrière le doc. 5.

 

II - Quelques systèmes de transmission et transformation de mouvements

  • Systèmes de transmission de mouvements:

-          transmission par courroie (alternateur de voiture)

-          Transmission par chaîne (roue de bicyclette)

-          Transmission par engrenage (panier de l'essoreuse à salade)

  • Systèmes de transformation de mouvements

-          Transformation translation-rotation (système bielle/manivelle dans un moteur à explosion)

-          Transformation rotation-translation (arbre à came pour l'ouverture/fermeture des soupapes d'un moteur, crémaillère dans un cric).

 

III - Réalisation d'une maquette du mécanisme avec le matériel

       (Schémas)

 

IV- Réponses aux questions

1)      Il s'agit d'un mécanisme qui transforme un mouvement de translation en un mouvement de rotation

2)      La longueur du fil reliant les ailes doit être suffisamment importante, de façon à ce que l'action verticale sur le fil de manœuvre puisse permettre un mouvement des ailes en rotation : une ficelle tendue entre les 2 ailes ne permettrait pas ce mouvement (schéma explicatif bienvenu !).

3)      Effectivement, on peut remplacer les ficelles par des éléments rigides du type biellettes en carton, reliées entre elles par des attaches parisiennes, et qui joueraient le même rôle que les ficelles. Il est à noter que cette solution, beaucoup plus délicate, n'apporte rien de plus au mécanisme.

4)      Il convient d'éviter tout frottement des éléments entre eux, en s'assurant qu'il existe un jeu axial et radial de fonctionnement entre les attaches parisiennes et les différentes pièces assemblées. Il est possible d'améliorer la liaison ficelle-carton des ailes par l'apposition d'un renfort de ruban adhésif pour éviter le déchirement.

5)      Réalisation de la maquette didactique. En actionnant la ficelle vers le bas pour déplacer le levier en carton de la valeur (e), le levier aura à l'autre extrémité une amplitude de mouvement d'autant plus grande que l'axe de rotation se rapprochera du point de traction. Lorsque l'axe de rotation se situe juste en alignement avec le point de traction, il n'y a plus de possibilité de mouvement.

6)      Le fait d'apposer une masse à l'extérieur de chaque aile, déplace son centre de gravité de façon à ce qu'il s'aligne avec celui du centre de rotation (qui est ici le centre d'attache de l'aile). Ceci a pour conséquence d'avoir les ailes de la chauve-souris rentrées au maximum au repos et d'avoir également un mouvement beaucoup plus ample lors de la traction sur la ficelle. Le maître a voulu faire intervenir, ici, la notion précisant que le centre de gravité d'une pièce suspendue par un point, s'aligne toujours à la verticale de ce point.

7)      Il convient de bâtir avec les enfants un organigramme de fabrication de façon  à définir l'ordre des opérations à réaliser. On peut avoir une attitude directive pour la phase d'assemblage. Le maître devrait procéder à une démonstration pour ce qui est la mise en place de la ficelle, des renforts des ailes, de la masse ajoutée aux ailes.

8)      En prolongement à cette séance, le maître pourrait étudier avec les enfants d'autres types de transmission de mouvement par l'intermédiaire d'objets de la vie courante (vélo, essoreuse à salade, jouets mécaniques...) ou travailler davantage sur les notions d'effort et d'équilibre en abordant les leviers et les balances.

 

V - Questions sur l'exposé

     - Quel est l'effet de la gravité sur le mouvement des ailes de la chauve-souris ?

Les ailes ont tendance à retomber dans leur position la plus basse, en particulier du fait du poids des masses qui les plombent.

- Que savez-vous du poids ?

C'est une force particulière, due à l'attraction de la Terre sur les corps. Le poids d'un corps dépend du lieu où il se trouve, au contraire de sa masse qui est invariable.

- Quel type de démarche le maître utilise-t-il dans ses séquences ?

Il s'agit davantage d'un démarche technologique d'investigation que d'une démarche technologique de fabrication. Cette démarche s'inscrit cependant dans la démarche pédagogique globale préconisée par les I O (mise en situation, questionnement sur le mécanisme du pantin, situation-problème et investigation de type expérimental, réponses individuelles et confrontation, réponse collective élaborée en commun).

- Vous parlez d'une investigation de nature expérimentale. Pouvez-vous dire quelles sont les hypothèses qui sont en jeu dans le travail de recherche des élèves ?

Si les ailes sont attachées en leur centre sur le corps de l'oiseau, l'amplitude du mouvement de rotation sera faible ou nulle. Si elles sont attachées sur leurs bords, l'amplitude du mouvement de rotation sera beaucoup plus importante. Il y a aussi le rôle de la position de la ficelle, plus ou moins rapprochée du centre de rotation, ainsi que la manière d'attacher les ficelles, leurs longueurs...

 

- Cette activité vous semble-t-elle réalisable par des enfants ?

Oui, à condition d'être bien guidée par le maître, de façon à permettre une découverte progressive du mécanisme du pantin.

 

- Les attaches parisiennes permettent-elles une mobilité suffisante des éléments du pantin ?

Si les attaches sont trop serrées, aucun mouvement ne sera possible du fait des forces de frottement.

 

 

 

 

 

 

 

 

285 votes. Moyenne 0.60 sur 5.

Créer un site gratuit avec e-monsite - Signaler un contenu illicite sur ce site

×