THEME DE LA SEANCE
..
-23-EXEMPLE
DE
COURS D'INITIATION
POUR UNE OPTION
TECHNOLOGIE
par
mm. couêtard
elheid inger
professeurs ENS ETCet
artic~efait suite
à ce~uiparu dans
~e bu~~etinN°
5 (des mêmes
auteurs) .
L'artic~e
précédent présentait
~e résu~tatde
3seances de
travai~~ce-~ui-ci
rapporte tes remarques
re~evéesau cours des séances
4~5~6et 7.
Dans
~e p~ochainbu~~etin~ ~esauteurs nous présenteront
~eurs conc~ueùone,
SEANCE 4
Sensibilisation aux paramètres qui interviennent dans le fonctionnement statique d'un frein
- couple de matériaux en contact - force pressante
distance de la zone de contact à l'axe de rotation d'une roue freinée.
MODE OPERATOIRE:
La classe est réunie dans une salle conventionnelle. Des expériences sont présentées aux élèves.
l~_~~r!~ On lance un chariot à 4 roues avec une vitesse initiale constante sur un plan horizontal, d'abord en le laissant rouler sans entrave, puis avec les roues bloquées, puis avec les roues plus ou moins freinées. On mesure dans chaque cas la distance parcourue avant l'arrêt complet du chariot.
Conc~usion
:
Les distances d'arrêt étant différentes, on en déduit que le freinage existe dès qu'il y a entrave à la rotation des roues, et qu'il ne suppose pas nécessairement - comme les élèves le pensaient i-nitialement - un "blocage" des roues.On en déduit également que l'arrêt d'un véhicule en mouve-ment n'est jamais instantané. En faisant appel à des souvenirs
person-nels et à la réflexion" on fait dire aux élèves que le temps d'arrêt est plus court s'il n1y a pas dérapage (cas de verglas ou de route
mouillée) et qu'il vaut mieux entraver progressivement plutôt que blo-quer. Ils admettent volontiers qu'un blocage instantané (en enfonçant un bâton entre les rayons de la roue) n'est pas une solution de freina-. ge intéressantefreina-.
2° série : On recommence les expériences précédentes en changeant les-~tê~Iaux de la piste de roulement et des jantes de roues. On cons-tate les différences de distance d'arrêt. Pour mieux étudier ce qui se passe, on fait glisser le chariot roues bloquées sur un plan incliné, d'inclinaison réglable, et on relève l'angle correspondant au début de
glissement.
On conclut que la nature du couple de matériaux en contact inbtrvient après avoir vu que certains couples freinent mieux que d'au-tres.
3° série: Une turbine à air comprimé est équipée d'un frein à sabot
sur-ïïarbr~de sortie. La force pressante est règlée par des masses marquées, accrochées à l'extrémité du levier portant le sabot. La vi-tesse de lancement est contrôlée avec un tachymètre, le temps d'arrêt mesuré au chronomètre.
4° série: Un volant ~ 250mm est calé sur un arbre
0
25, placé sur deux-raIïs-parallèles inclinés par rapport à l'horizontale. Tantôt sur l'arbre, tantôt sur le volant, on enroule un fil au bout duquel sont accrochées des masses, de façon à obliger l'ensemble roulant à remonter la pente. Les masses créant l~équilibre sont comparées aux rayons d'en-roulement du fil, pour différentes pentes.ConcZusion :
Pour faire tourner ou empêcher de tourner une pièce, l'ef-ficacité du résultat dépend de 2 éléments :- la force appliquée (définition vectorielle) - la distance de cette force à l'axe dé rotation.
Ceci permet de faire apparaître le paramètre "distance" que l'on fait retrouver ensuite pour le freinage de la turbine et du chariot.
SYNTHESE :
Dans tout système en rotation le freinage est déterminé par un moment de freinage qui, pour les freins à frictions, dépend des 3 pa-ramètres
~EE1~~~!~~g
:
Calcul du moment de freinage du frein de turbine.!~!~_§!~E~
:
Schéma du frein de la turbine modélisé en vue d'un cal-cul du moment de freinage (positions relatives des artical-culations, des points de contact et des points d'application des forces).-f'
"
-25-REACTIONS DES ELEVES :
Les élèves sont sécurisés de retrouver une situation conven-tionnelle de travail de classe et suivent consciencieusement les éxpé-riences. Ils parviennent assez facilement à conclure, à tirer une rè-gle; mais, pour eux, cette règle ne peut être apllicable qu'au seul matériel expérimenté. La transposition à un objet réel est invraisem-iblable : par exemple, à la question "pourquoi une grosse moto a un
gros frein et un cyclomoteur un petit frein "7, la première réponse est: "c'est pour.la ligne générale, pour que ça fasse sport."
Ceci nous montre que toutes les expériences précédentes qui ,nous avaient parues utiles pour mettre en évidence séparément les
pa-ramètres de fonctionnement d'un frein n'ont absolument pas été perçues comme telles~ et il nous a été très difficile de faire admettre qu'el-les étaient un modèle de réalité.
EXERCICE PROPOSE:
Etablir le schéma - modélisé en vue d'un calcul d'un moment de freinage - du frein de cyclomoteur étudié la semaine précédente.
SEANCE 5
THEME DE LA SEANCE:
- Calcul du moment de freinage (frein de turbine et frein de cyclomoteur)
- Correction des exercices des semaines précédentes (cette par-tie du thème n'est pas développée dans le mode opératoire suivant).
MODE OPERATOIRE
Calcul du moment de freinage du frein de la turbine.
~~~~_~!~E~ : Equilibre d'un solide en rotation autour d'un axe fixe et soumis à des forces situées dans un plan perpendiculaire à cet axe. Expérience: Une plaque verticale mobile en rotation autour d'un axe horizontal est soumise à une force verticale (poids d'une masse marquée) tendant à imposer une rotation. On détermine expérimentalement quelle masse il faut suspendre en différents points pour maintenir la plaque en équilibre.
~~~~_~!~E~
:
Application au freinEn partant de la force appliquée à l'extrémité du levier, calcul de l'effort au contact jante-sabot~ quand la turbine est à l'arrêt. Cal-cul du moment par rapport à l'axe de cet effort. Le résultat (zéro) é-tant incompatible avec la possibilité de freinage~ on est amené à ad-mettre l'inclinaison de l'effort par rapport à la normale au point de contact.
Pour potivoir poursuivre les ~alculs. on donhe aux 61~ves la no-tion d'angle de frottement et les résultats d e s
lois
de.frOttement dans le cas où i l y a glissement.. .
On peut alors calculer effectivement
le~~merii
defreinége. ~EEli~~!i~!.l:
Calcul du moment de freinage dans un frèln à tambour. Ih:~_~!:§:~~:
Carree tion de l'exercice proposé à la séance précéden-te. : schéma, modélisé en vue. du calcul, d'ut), frein: il tambour;,g~!!I~_~!§:ES:
:
Calcul des efforts de contact mâcho i.r e-rjant;e en appli-cation de l'équilibre des leviers.Hypoth~se : les efforts mâchoire-jante sont équivaleüL:sà une résultan-te appliquée au milieu de la zone frottanrésultan-te de la mâcho i.ro. .
J~!!I~_~!§:ES:
:
Calcul du moment de freinage du frein (angle de frotte-ment donné par des catalogues).REACTION DES ELEVES :
Difficultés de résolution d 'une équation de motnerrts dont on connaît tous les termes sauf un (upparamment parce que. les. 'lettres em-ployées - F, R ou d - ne sont pas les mêmes que les lettrés représen-tant les variables ou les fonctLcns en mathématiques). '
Un peu de refus devant l~ calcul dont il~ ne yoiént pas tou-jours l'aboutissement (toutou-jours la même difficul téd "admettre 'que .Le calcul sur le modèle puisse donner des r êsu'ltats vcomperabl e s à ceux du
frein réel). '
EXERCICE PROPOSE
Calcul de l'effort normal (c ycLomo'teu r à l'arrêt) patin sur j an-: te dans un frein à patins de cyclomoteur, en fonc~ion d'un effort donn6
à la poignée. .
SEANCE 6
---_
...._-
....TllEl-ΠDE LA SEANCE:
Détermination du moment de freinage cl'un frein à pati ns , - D6Lermination du moment de freinage des freins des diff6rcnts cyclomoteurs par le calcul et par le mesure directe.
-27-MODE OPERATOIRE:
- Détermination du moment de freinage ·d'un frein à patins: 1°) Calcul du moment par rapport à un a~e, d'une force appliquée à un solide en rotation, lorsque cette force n'est pas dans un plan per~
pendiculaire à l'axe.
Expérience: même expérience que pour la séance 5 (2ème étape), la for-ce qui tend à imposer la rotation faisant avec le plan ~e la plaque un angle imposé (30°, 45° et 600
) . ' De la même façon, on détermine expéri-mentalement la masse à suspendre pour maintenir la plaque en équilibre. Connaissant le moment du poids de cette masse, on en déduit le moment de la force inclinée et le règle de calcul de ce moment (en considé-rant la projection sur le plan de la plaque).
2°) Calcul du moment de freinage d'un frein à patins en application des résultats précédents.
- Détermination du moment de freinage des freins des différents cyclomoteurs.
Chaque groupe est chargé d'un cyclomoteur.
1°) Calcul: application des résultats précédents après avoir mesuré les dim~~-;i~~s nécessaires.
2°) ~~~~E~_2!E~S!~
:
Le cyclomoteur est monté sur un support qui per-met la rotatién de la roue concernée, préalablement déchaussée de son pneu. Un effort connu est appliqué à la poignée (câble, poulie et masseS marquées). On mesure le moment à appliquer à la roue freinée pour lafaire tourner, en suspendant des masses marquées à un câble enroulé dans la jante de la roue.
3°) Recensement des résultats trouvés : rassemblement
et
affichage devant t;~t~-ïâ-ëïâss~:-d~s-rês~ïtâts-trouvés.Estimation de l'écart moyen entre les résultats des mesures et du calcul des différents grou-pes.REACTIONS DES ELEVES:
Difficulté de prise de conscience des erreurs qu'ils font en mesurant ou en installant des éléments qui ne correspondent pas aux conditions du modèle (un entre-axe est souvent remplacé par la distan-ce entre deux gênératridistan-ces les plus proches des axes matériels - une force appliquée par l'intermédiaire d'un fil reste rarement dans la direction prévue ).
Difficultés à admettre que le montage proposé permet la mesure du moment de freinage effectif. Après l'affichage des résultats (écarts de l'ordre de 50% et plus) doute général sur la validité du modèle de calcul proposé.
Sentiment de perte de temps et d'inutilité. des calculs faits (cèci vient 4u,fàitque, généralement, ·<ians. les cours autres que ceux
devt échno l.ogié.,
on
calcule sur des modèles sans jamais revenir au réel,et, par cousêqueut , les résultats sont nécessiatement exacts).
. .
Cependant certains élèves ont émis l'hypothèse que les ressorts qui exi"stài.ent cl,ànsle Îrein et non sur le modèle, pouvaient perturber les réBûlta.ts~.
S E A NeE
7
..._ ... ..:..._...,;,.0\o-0oi.- _
THEHE , PELA
S~NCE:Justificafion de 1i êcart entre les résultats de La séance
précédente.
- Pr emi.êre synthèse sur les freins de cyclomoteur.
HODE .OPERA'l'OIRE
Les rêsultats. et les écarts sont rappelés. Premier sondage au~
près des élèves pour sa~oir s'ils ont. trouvé des sources d'écart depuis
la séance précédente.
Analyse par chaque groupe, du frein étudié, en recherchant à
. chaque maillon de la chaine de transmission d'effort, les différences
IJ1odèl~-réel susceptibles d'être des causes d'écart.
Reprise' dés différentes déterminations de résultats pour
di-miuuer les écar~s;
Deux/étapes
- Recherche ,d'un modèle plus précis (plus pr.ès du réel)- Intro-duction des ressorts après mesure de leur raideur et de leur flèche en
position frein ,sert:é _.frottement, dans la gaine, dans les articulations, ••.
- Amélioration du réel (gr ais.sage des articulations et de la
gai.-ne, modification êventuelle de la surface des garnitures de frein pour ramener la résultante des efforts vers le point considéré sur le modèle).
SYN'l'HESE :
,P6int sur ce qu~ a Eté fait depuis le début de l'étude des freins.
-29-Justification, par ces résultats, de certaines solutions tech-nologiques retenues par les constructeurs et qui n'avaient pas encore pu être expliquées jusqu'alors (montage de came flottante dans un frein à tambour - liberté de centrage des patins sur la jante et de l'étrier du frein à disque sur son disque (Solex 6000) - •.• )
Insuffisance de l'étude statique pour déterminer complètement le frein, et ouverture, en vue d'une étude plus complète ultérieure avec essais dynamiques, sur des notions d'énergie cinétique du véhicule à freiner et du travail mécanique transformé en chaleur par un frein.
REACTIONS DES ELEVES:
La présentation de l'étude sous forme de réel et de modèle leur parait sans intérêt et ils trouvent que les animateurs "coupent les cheveux en quatre"~
