Safloges : ça roule !

20 mars 2011

Le projet technologique "ça roule" réalisé dans le cadre de l'atelier SaFLoGes (SAvoir Faire Logiques et GEStuels) avait pour objectif de faire apparaître les différents paramètres conditionnant l'allure de roulement d'un véhicule lâché sur une pente. Influence de l'inclinaison de la piste d'élan, de la longueur de la prise d'élan et d'autres paramètres propres au roulement du mobile tels que les frottements.

Première étape
Les élèves ont apporté à notre demande des "petites voitures". Nous installons une piste et réalisons les premiers "essais libres". Seule contrainte : il faut que l'engin lâché de l'extrémité haute de la piste d'élan reste sur la piste et ne sorte pas au bout de la piste de roulement.
Premières réflexions empiriques sur ce qu'il convient de modifier dans le dispositif afin que les engins n'aillent pas trop loin.
- ça dépend des voitures; elles ne roulent pas toutes de la même façon.
- si on incline moins la piste d'élan, elles vont moins loin.
- en mettant un peu d'huile dans roulements des voitures restées trop longtemps au fond des coffres à jouets de nos élèves devenus adolescents, on améliore un peu le résultat.
- On distingue et on écarte les voitures qui glissent pour ne conserver que celles qui roulent. (Tiens, ce n'est donc pas la même chose comme type de déplacement !)

ça roule 1 par imelesgrillons

ça roule 2 par imelesgrillons

Deuxième étape
Nous mettons à leur disposition du Légo. Par équipes de deux "ingénieurs", ils doivent fabriquer un engin roulant "le mieux possible", choisissant librement le nombre et le genre de roues à utiliser, la taille du véhicule...
Ils constatent alors que certaines roues ou trains de roues sont meilleurs que les autres. Nous leur proposons alors de faire une sélection.

Troisième étape
Trois véhicules de type chariot sont sélectionnés pour la suite de ce projet. Les "mieux roulant". Nous proposons aux élèves de faire un relevé des performances de chacun. Après une prise d'élan de 2 mètres, quelle distance parcourent-ils sur la piste de roulement ?
Et si nous réduisions la prise d'élan en partant de plus bas sur le plan incliné, que se passerait-il ?
Deux hypothèses sont formulées :
Pour les uns, le point d'arrêt sur la planche de roulement sera d'autant éloigné. On comprend qu'ils prévoient une translation du tracé de la course.
Pour les autres, le point d'arrêt sera plus près du point de passage au plan horizontal. On comprend qu'ils prévoient un raccourcissement proportionnel à la diminution de la prise d'élan.
Ils soumettent ces hypothèses à l'épreuve des faits. Des repères visuels posés sur les planches permettent d'établir la bonne réponse. Pour ceux qui accèdent à la compréhension des quantités par les nombres, un tableau de relevé des mesures suivi d'un rapide tracé de courbe atteste la véridiction de la deuxième hypothèse.

Quatrième étape
Passage à la représentation et à la conceptualisation
Une première étape passe par le dessin au tableau et la confrontation entre les différentes représentations. Lorsqu'un dessinateur a fini son dessin, c'est un autre élève qui en fait la description, essayant de retrouver ce que son camarade a cherché à représenter. Nous animons ensuite un débat entre les élèves pour améliorer ensemble la représentation et tenter de lui donner une signification adéquate aux yeux de tous.

Cinquième étape
Se confronter à une représentation standardisée permettant de nommer les choses et les phénomènes, d'aller vers les concepts communément employés. Les élèves seront amenés à utiliser les expressions de vitesse, de vitesse nulle, de vitesse maximale, d'accélération, d'arrêt, de ralentissement, d'inclinaison, d'horizontal...
Puis ils réalisent des travaux personnels de représentation sur feuille en collant des étiquettes sur les documents suivants.

Sixième étape
Résoudre des problèmes de logique liés au roulement.
Sur la planche de roulement, un trait est tracé en travers, c'est la cible. L'exercice consiste à trouver de quel endroit sur la piste d'élan il faut faire partir la voiture afin qu'elle s'arrête sur le trait. Si on la lâche de trop haut, elle va trop loin, de trop bas, elle s'arrête trop tôt. Les expérimentateurs y vont de leurs tâtonnements : faut-il remonter, descendre ? Pour faciliter le repérage on place des punaises sur la piste d'élan aux points de départ essayés. On fait apparaître par ce dispositif des problèmes du type : si la voiture est allée trop loin en partant du point bleu, c'est que c'est trop haut. Au deuxième essai, on part de plus bas en mettant un repère rouge, mais cette fois, la voiture s'arrête avant le trait cible... que faut-il faire à l'essai suivant ? En choisissant un point entre les deux, la voiture s'arrête entre les deux précédents points d'arrêt... mais si ce n'est pas encore sur la cible, que faire ? Ainsi, on en vient à aborder sans passage par la numération, la notion d'encadrement, tout simplement entre diverses positions du trop ou du pas assez.

ça roule 3 par imelesgrillons

Septième étape
Retour à l'atelier de menuiserie. Le défi consiste à présent à fabriquer, par équipe de deux, avec le matériel disponible dans l'atelier, un chariot en bois sur la base d'un châssis fourni, une planche de 22 x 200 x 400 mm.
Deux options techniques différentes sont choisies par les différentes équipes : fabriquer un essieu à assujettir ensuite sur le châssis ou fixer une roue sur un moyeu à fixer ensuite lui-même sur le châssis obtenant ainsi des roues indépendantes.
La fabrication des roues elles-mêmes relève d'un choix entre les découper à la scie-cloche dans une planche et les tirer d'un cylindre de bois en coupant des "rondelles". Cette dernière méthode pose ensuite le problème du centrage de l'axe qui est résolu empiriquement par l'à peu-près. Ce qui amène à constater que ces roues donnent des chariots un peu "boîteux" mais que cela n'empêche pas de rouler !!!
Il a aussi fallu affronter les problèmes de frottement et découvrir à cette occasion les vertus du "jeu" en mécanique ainsi que les astuces qui permettent de diminuer les frottements comme l'utilisation de rondelles intercalaires.
Disposant des quatre roues et du châssis une équipe crut avoir très rapidement résolu le problème en posant directement le châssis sur les roues placées dessous verticalement aux quatre coins. Cela avait aux yeux de ces deux élèves tout à fait l'allure de ce qui était demandé. Lorsqu'il leur fut demandé de faire rouler leur chariot... patatras !!! Ils constatèrent un peu déçus sans doute que ce qui, immobile, ressemblait à un chariot, n'en était pas un quand on l'animait. Il fallait créer une liaison entre les pièces pour les garder solidaires pendant le déplacement. Force nous fut de constater que cette notion n'est pas "innée". Cela relève d'une construction mentale et du franchissement d'un obstacle. Et bien sûr l'obstacle fut franchi après une étape intermédiaire où les deux ingénieurs entreprirent de coller les roues sous le châssis. Une fois encore, ils crurent être au but : leur réalisation avait toutes les apparences d'un chariot. Mais quand il fallu le mettre en mouvement... ils ne purent que le faire glisser et (re)découvrir ainsi qu'il fallait pour qu'un engin roule, ses roues tournent. Ils finirent par triompher de la difficulté en réalisant des essieux qui fixèrent sous le châssis et alors, tout alla comme sur des roulettes !!!