Pour le projet “Faire des Sciences”, nous avons décidé de partir sur de la physique avec les notions de mécanismes et mouvements. Ainsi, nous avons créé un instrument de musique. Il s’agit d’une machine sonore à percussion sous forme de tambour. Les mouvements rectilignes et circulaires ainsi que les mécanismes de poulies et d’arbre à came sont utilisés pour fabriquer cet instrument.
Explication des mouvements de 23 secondes à 3 minutes26
Approche scientifique
Schématisation des notions :
Energie ⇒ Rotation des ⇒ Rotation de ⇒ Translation
musculaire poulies la came curviligne de la baguette
Notre mécanisme est constitué de pièces mécaniques : une tige guidée, des poulies et une came qui sont reliées par des axes de rotation et une courroie. Il nécessite la présence d’une structure fixe, rigide et indéformable (ici le support principal et les supports de la baguette). Avec ce système nous aurons les pièces aux endroits précis qui nous permettront de réaliser des mouvements choisis.
Pour le mouvement d’entrée, l’apport d’énergie est imposé par la main. Celui-ci est circulaire et transmis aux poulies ainsi qu’à la came par le biais d’une courroie et d’un axe de rotation. Puis, le mouvement est transformé en mouvement de translation curviligne au niveau de la tige guidée (ici la baguette).
Le premier mouvement est circulaire, complet et transmis simultanément aux poulies et à la came. En effet, lors d’un mouvement circulaire (ou mouvement de rotation), si l’on prend n’importe quel point de l’objet perpendiculaire à l’axe de rotation, ce dernier a une trajectoire circulaire. Le centre de cette trajectoire est l’axe de rotation. En théorie, les poulies peuvent tourner dans les deux sens. Cependant, la baguette est en position basse. Pour qu’elle se soulève et percute le tambour du haut, il est nécessaire de faire le mouvement dans le sens anti-horaire. Le mécanisme de poulie-courroie permet alors de transmettre le mouvement à distance. Elle est constituée d’une petite et d’une grande poulie. L’apport d’énergie de la main est affecté à la petite poulie qui est la poulie menante. La vitesse de la poulie menée, ici la plus grande, sera donc moins importante. Le système est réducteur de vitesse. Les deux poulies tournent dans le même sens mais à des vitesses différentes. En effet, nous avons fait ce choix car nous craignons qu’en allant trop vite, cela endommage les tambours. Pour notre mouvement de sortie, notre apport d’énergie initiale est passé d’un mouvement circulaire à une translation curviligne par le biais de la came. De plus, le mouvement est alternatif car la tige guidée se déplace en un mouvement binaire selon un axe. En effet, lors d’un mouvement de translation curviligne, les trajectoires se comportent comme une courbe. Comme évoqué dans la première partie, l’amplitude de la tige guidée dépend de la taille de la came.
Nous avons donc une chaîne cinématique. Il y a un enchaînement de mouvements dans le mécanisme. En tournant la manivelle, cela va entraîner un mouvement de rotation des poulies qui vont entraîner par la suite la rotation de la came. Cette dernière va permettre le mouvement de translation curviligne de la baguette qui entraînera enfin la musique.
Résumé séquence
Les objectifs de la séquence sont de travailler sur les différents mouvements : rectilignes et circulaires. Les élèves doivent concevoir un instrument de musique à partir des différentes notions sur les mécanismes et les mouvements.
Pour travailler sur ces notions, il faut tout d’abord conceptualiser la séquence. L’instrument de musique peut être présenté aux élèves en cachant les différents mécanismes et mouvements. Ainsi, les élèves vont devoir réfléchir à la transmission du mouvement entre la manivelle (mouvement circulaire) et la came tapant sur le tambour (mouvement rectiligne).
Pour faire suite à cette séance de réflexion et de schématisation, une séance sur la catégorisation des machines simples et des machines complexes est proposée aux élèves. En effet, pour comprendre le mécanisme de notre instrument de musique les élèves doivent comprendre et différencier les machines simples des machines complexes.
Après avoir différencier les machines simples avec un seul mouvement et les machines complexes avec plusieurs mouvements, une séance sur les différents mouvements peut être amenée. Cette activité est divisée en 2 parties pour faire découvrir le mouvement circulaire et le mouvement rectiligne aux élèves. Afin de travailler sur les mouvements rectilignes, l’enseignant propose une situation problème faisant appel aux mécanismes de la poulie. Pour présenter le mouvement circulaire, les élèves vont étudier l’essoreuse à salade : excellent exemple de ce mouvement. Pour conclure, l’enseignant interroge les élèves sur les mouvements de quelques machines simples et complexes vus dans la séance précédente. Pour illustrer et faire le lien avec l’instrument de musique il est possible de présenter quelques instruments de musique faisant appel à ces mouvements (tambour, crécelles, etc.).
En séance 4, il est possible de travailler à nouveau sur l’instrument de musique présenté en séance 1. Ainsi, ils découvrent les différents mouvements sur une même maquette pour créer un instrument de musique.
Les trois dernières séances seront réservées à la conception d’un instrument de musique à partir d’un ou des mouvements circulaires et rectilignes. Ainsi, les élèves découvrent les différentes phases d’une conception (planification, schématisation et conception). Enfin, les élèves expliquent leur démarche de conception et les mouvements mis en jeu.
Trucs et astuces
Pour réaliser notre maquette, nous avons utilisé du matériel simple que l’on peut retrouver facilement en classe.
Voici le matériel utilisé : carton, boîtes de fromages, papier calque, élastique large, pics à brochette, colle, scotch, peinture, yaourts, bouteilles…
Pour réaliser la maquette, il faut s’assurer que les tambours soient l’un au-dessus de l’autre, et non décalés sinon l’arbre à came ne pourra pas fonctionner. De plus, il faut penser à surélever le tambour du bas afin que la baguette revienne en position initiale et que tous les supports soient alignés au même niveau. Si ce n’est pas le cas, il y aura un décalage et la came restera bloquée. Ensuite, la came doit être suffisamment grosse afin qu’elle permette le mouvement de la baguette. Enfin, le support à came doit être fabriqué de façon à ce que la tête de celui-ci soit découpée “en V” pour permettre à la baguette de retomber au milieu.
