r1fJHPULATIONS SUR LES FORCES
. Le programee de technologie de 1970 l'lace ostensibler.rent-avant l'étude du ~oids l'introduction de la notion de force et la mesure des intensités, et les Instructions Officielles dans le § B de la page
JJ
parlent du "newton unité enfin dégagée èu loure contexte qu'est le poids". L'intention est connue, i l s'agit entre autre choses de ne pas aggraver la confusion si redoutée entre la masse et le poids.Bien que nous sachions par avance qu'une telle précaution ne peut suffire pour éviter cette confusion qui tient, quand elle existe, à des racines plus profondes i l est de notre devoir de jouer le jeu. Or si cette manière de présenter ces notions n'apporte pas de difficul-tés nouvelles pour définir les forces, leur droite d'action, leur sens, pour donner une idée de leur grandeur, comparer leurs effets et définir des forces d'intensités égales, il n'en est pas de mâme quand il faut passer, suivant les 1. O., à "la réalisation d'un objet technique expé-rimental permettant la mesure".
L'étuèe de la loi de déformation d'un système élastique, étude qui débouche sur la réalisation d'un dynamomètre, se faisait par le passé en chargeant progressivement un plateau suspendu
à
un ressort, avec des nasses marquées dont les poids se "Cot:tposaient" sans qu'on se pose de problème.Comment procéder aujourd'hui sinon en faisant exercer les forces par des systènes élastiques qui seuls peuvent nous procurer le moyen de reproduire des forces d'intensité définie& Il est tout naturel Ge Se se~vir de ressorts ct, avec l'aide de ressorts identiques soumis au r~êl:1e allongement, i l est possible de renplacer la boîte de rt;.oids marqués" que nous laissons dans son armoire et pratiquer cette :talgèbre des ressorts" dont parlaient N~M. Harsany et Provost dans leur émission de Télévision. Il se trouve que la cise en oeuvre de ces manipulations nécessit~si l'on veut les faire avec commodité et une ce~taine rigueur, un montage dont la réalisation n'est pas facile par soi .. oême ou, s ' i l est acheté, coOte un prix qui ne permet d'en faire pendant longtemps qu'un matériel à l'usage du professeur.
Or il serait bien regrettable de ne pas donner à l'élève la possibilité de manipuler parce qu'il n'est pas douteux qu'il y trou-verait beaucou? plus d'intérêt mais aussi et surtout parce que c'est dans la manipulation que Iton apprend, spécialement à cet âge, le ~lus de oécanique.
Les montages que je propose ci-après dans lesquels les forces sont exercées par des bracelets de caoutchouc, devraient permettre
d'atteindre ce but. hUss! critiquable que soit l'élasticité du caoutchouc il vaut mieux des manipulations imparfaites dont on fait apprécier les inconvénients que pas de manipulations du tout.
Fig. 1. ; Une planchette de 40 à 60 ~m de large sur 500 à 600 mm de --~--l-~-ng~eur. Une borne dite universelle fixée à chaque bout, utilisée
d'ordinaire en électricité et qui permettra ici le serrage des accessoires. Une bande de papier millimétré fixée par 2 morceaux de scotch et que l'on changera à peu de frais à c!laque T.P. Figo
..
2. : Un index (1) qui permettra 2 repérages, d'où les for~esproposées.
Fig.
J. :
Les crochets (C) ct (T) d'attelage des bracelets, en fil de ~étal de ~J
mm (métal d'apport pour la soudure).4. :
Une bande de feuillard (F) découpée dans une bolte de conserve ;oulée à un bout pour la ~asser dans le crochet de droite ~: elle sert à placer le repère de longueur du bracelet et évite le contrÔ-le de sa longueur avec une règcontrÔ-le.- Quant au système déformable S lié à la borne A ce sera soit une boucle d'acier, soit 2 réglets d'acier attachés l'un contre l'autre par leurs extré~ités et que l'on écarte en leur milieu, soit, le
moment venu, un ressort cylindrique fixé par un crochet dans la borne A.
B - ~~IPULATIONS POSSIBLES
1) Expériences permettant de définir l'élasticité, et d'introduire la
"notion" d'intensité en agissant sur un système déformable (S) (Fig. 1). 2) Expériences permettant de définir l'égalité, l'inégalité des
inten-sités, réalisation de forces d'intensité égale, propriétés des fils, action, réaction •••
J) Addition des intensités, avec des bracelets montés ceSte à côte (mais ils sont si proches qu'on les considère plus volontiers coaxiaux qu'en parallèles). Intensité multiple d'une autre.
4)
Etalonnage du système S. Dynamomètre (Fig.5
et6).
C - ESSAI DE LECON POUR LA MESURE DES FORCES .
.
L'élasticité est définie, et les élèves savent comparer les intensités de 2 forces et constater l'égalité.
~~_~~~!~~~~~~ Cela ne ~eut nous suffire nous aimerions pouvoir mesurer cette intensité. Que nous faut-il?
Les élèves : une unité ••• (Nous ?référerions une autre réponse aëëëptons-celle-là).
Le professe~r : cette unité existe nous la préciserons tout à l'heure maIs-ëroyëi=yous que je puisse la conserver dans un petit écrin placé dans mon armoire ?
••• (Il faut souhaiter qu'il soit répondU "non" si l'on a compris
le caractère abstrait des forces et que l'on ne nous propose pas le kilogramme ••• par exemple.>
Le professeur : nous pouvons provisoirement en choisir une quelconque. ëëmmènt-faIrê pour pouvoir la retrouver inchangée chaque foi~ qu'il sera nécessaire.
Elèves : (réponse espérée) Prendre un objet élastique auquel nous Imposèrons toujours le même allongement ou la même longueur.
Le professeur: pensez-vous qu'un seul de ces objets puisse suffire à-ëfiaëün-a'êntre nous pour faire ses mesures ?
Le professeur : Je vous propose d'utiliser des bracelets de caoutchouc prIà-dans·ünê mâme boîte; ils paraissent bien identiques. N'est-il pas prudent de le vérifier ? Cooment faire ?
Les élèves : il faut les faire agir sur un objet élastique et comparer
---..,----
..les deformations qU'ils provoquent. Ou bien les faire agir l'un sur l'autre et comparer leurs longueurs.
Le professeur: Vérifions sur notre appareil. Constatons d'abord que
---1fI:'
la longueur a vide du bracelet est mal definie ce qui gêne pour me-,
surer son ~longemen~. Tournons la difficulté : i l nous suffit qu'étiré jusqu'à leur donner la même longueur ils exercent sur la boucle élas-tique des forces d'intensités égales. (Un repère de longueur arbitraire est tracé sur la bande F. Nous lisons sur le papier millimétré la
déformation de l'anneau) Fig. 50
Les élèves : Déception: ils ne sont pas identiques ••• quelques-uns
p~~rtant-sont très proches •••
Le professeur : Pour nous permettre de poursuivre ne soyons pas trop êiIgèants-;-que chacun sélectionne dans son lot une dizaine de brace-lets qui, (à 1 mm de longueur près par exemple), exerceront des forces pratiquement égales.
La chose est possible et le contrôle est rapidement fait. Les élèves font leur sélection et mettent de côté leur petite collection "d'éta-lons" sans effacer le repère sur la bande F dont i l faut conserver la longueur de référence choisie par chacun.
Le professeur : Donnons-nous une force à mesurer (cela est facile) et rëëfiërëfions-üne méthode pour la mesurer avec notre unité. Comment faire ?
~~~.§!~!~~
:
Faire agir cette force sur l'anneau, repérer la déforma-tion et "faire agir ensuite les bracelets de caoutchouc" (étiré à la longueurt>
jusqu'à obtenir une déformation identique.~_~~s!~~~~~~
:
Qu'entendez-vous par faire agir les bracelots, nous savons faire agir ~ bracelet, comment faire agir plusieurs ensemble? Il semble bien que le professeur n'ait à présent qu'à laisser agir les élèves qui,sans se poser de question vont spontanément "composer" les forces en plaçant les bracelets côte à côte jusqu'à égaler ou encadrer la déformation. Il faudra évidemment attirer leur attention sur l'opération si naturelle qu'ils viennent d'effectuer; faire remarquer que si nous avions ~lacé les unités bout à bout dans le cas de la oesure des longueurs, nous procédons autrement pour les forces et peut ~tre leur dire qu'en toute rigueur il aurait fallu, si celaavait été possible, superposer exactement nos bracelets pour que les forces qu'ils exercent ne différent en rien. Des ressorts, parce qu'ils sont creux, peroettent un tel montage et l'on pourra le leur montrer. Contentons-nous donc àe rapprocher nos bracelets le plus possible en veillant à ce qU'ils aient bien la même longueur, ce que permet le repérage sur F.
Le professeur : notre méthode de mesurage est-elle commode. Ne voyez-voùs·pas-un-moyen de la simplifier ?
Le professeur : une des opérations ne peut-elle pas être réalisée une fois-poür-toutes ? etc ••• etc •••
L'étalonnage du système
S
sera donc une manipulation à laquelle vont se consacrer les élèves, première idée d'un dynamomètre. Reste à pré-ciser l'unité légale de force, à choisir le système déformable le plus coomode ce qui nous ramène au ressort cylindrique puis à proposer l'étude de l'objet technique qu'est le dynamomètre par l'observation ou la redécouverte~D - POURQUOI NE PAS CHOISIR D'ENTREE UN RESSORT CYLINDRIQ~ COMME SYSTEm~ DEFOnMABLE
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?Je propose d'opérer d'abord sur une boucle faite avec un fil d'acier (5) ou sur 2 réglets solidement liés entre eux aux deux extré-oités et que l'on écarte par leur milieu
(SI).
L'idée peut paraitre bizarre mais i l faut y voir les avantages suivants :1) Il n'y a pas de confusion possible entre le système qui applique les forces et celui, qui, les subissant, doit nous renseigner par ses déformations sur l'intensité de ces forces. Cela est nécessaire surtout quand on applique les forces par des ressorts.
2) La déformation de ces systèmes n'étant pas linéaire l'occasion est donnée aux élèves de voir une graduation non régulière et d'en juger les inconvénients. Cela montre aussi que la linéarité n'est pas une règle générale (on ne leur montre souvent que cela). J) Enfin et surtout il convient
de leur faire rer.larquer que la force d'intensité F
=
JU
par exel:.liJle somoe des inten-sités F1=
U et F2=
2U com-munique une Géforoation qui n'est pas égale à la somme des déformations provoqués par les deux autres.Or, nous avions là une conven-tion possible pour définir l'addition des intensités, convention différente de celle
0 ~
....
c
~ 1 I~ l~a
b -""crj.
a+bque nOD élèves ont choisie, Convention plus simple qui nous aurait aoené à graduer l'appareil avec du papier millinétré par 'exenple.
mais convention trèn critiquable parce qu'elle faisait dépendre l'opération de composition, du système S sur lequel elle se fait. Nos élèves auront le plaisir de constater que leur choix était bon.
Le fait d'opérer d'abord sur le ressort cylindrique ~ont l'allongement est linéaire ne. met pas ce . point ir:lportant en évidence mais crée au contraire le confusion. Une petite enqu~te m'a permis de constater que po~r une majorité "d'élèves de Seconde, la somme des intensités èe deux poids est l'intensité du poids qui agissent seul sur le ressort lui donne un allongement somme des allongements conmuniqués par les deux autres. Ce n'est évidemment pas faux mais i l
faut
avoir conscience que cela résulte d'une loi et non pas d'une convention.PO~R CONCLURE Cette façon de procéder n'est pas à l'abri des critiques élasticité douteuse du caoutchouc, irrégularité des bracelets, leur tlontage
en
parallèle qui réalise déjà, sans le dire, la composition des forces parallèles. Tout cela ne devrait pas suffire pour nous interdire la réalisation de telles manipulations puisqu'il ne parait pas possible de mettre à la disposition des élèves un montage où l'utilisation des ressorts nous mettrait à l'abri de tels reproches. Celui-ci doit ~tre contré par contre COrnDe solution meilleure à la suite des critiques précédentes qu'il ne faut pas cacher.P.S. Reste la solution de facilité qui consiste à dire: l'intensité dle-S forces se mesure voici l'appareil qui le permet et présenter ainsi
directement le dynamomètre. N'est-il pas prévu que nous procédions ainsi pour mesurer l'intensité ou la tension en électricité, ce ne serait donc qu'une n~Qlte noire" de plus, Cette façon de procéder limiterait beaucoup nos ~ossibilités d'e~)ériences (Comment ferions-nous étudier la loi de déformation d'un ressort, par exemple, à l'aide du
dynaoomètre c'ost-à-dire d'un autre ressort, caché i l est vrai).
Nous en serions réduits à faire des oesures de forces et quelles forces ferions-nous ~esurer ?
Mais tout cela n'est qu'interprétation d'un programme et le débat reste ouvert.
CHIROUZE CR. CEG. AIX
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