ARTheque - STEF - ENS Cachan | Exemple de leçon en 3° : L'horloge

(1)

Exemple de leçon en

3° :

L'HORLOGE

l - OBJECTIFS.

--Cette leçon sur l'horloge peut être faite après étude des en-grenages. Elle peut être également ie prétetexte à l'étude des engrenages mais il n'est pas souhaitable qu'elle s'étende sur un nombre trop

important de séances. Cette règle est valable pour toute étude d'objet technique.

Il y a dans cette leçon, tris riche. une possibilité d'inter-resser très vivement les élèves et surtout de déboucher sur la mesure du temps (sujet d'actualité) et l'étude partielle, sinon quantitative, du moins qualitative du mouvement du pendule pesant.

II - l1ATERIEL

Il s'avère indispensable de d'au moins horloge à balancier murale ou d'une pendule et surtout d'horloges jouets à monter en matière plastique (support transparent et éléments colorés). Cette leçon a été faite avec les stagiaires P.E.G.C. de Grenoble, dans une classe de

3°

avec

5

de ces horloges. Sur les

5,

2 seulement ont été achetées (prix unitaire

35

à 40 Frs), les autres nous ont été fournies gracieusement ; quelques éléments avaient été cassés dans la période de Noël à l'étalage. Un minimum de réparation a suffi pour les remettre en état. Il n'est pas indispensable que ces horloges fonctionnent par-faitement.

Il convient de trouver une horloge ou une pendule laissant voir le balancier. On essaie d'abord de faire préciser par les élèves sa fonction. En termes simples liA quoi ça ?

2°) Fonction

Une horloge sert à "lire l'heure" Précisons :

Repérer un instant (instant du début du cours, instant de départ du car •••• etc).

(2)

2

3.1.

-- Deux aiguilles -- une grande -- une petite Un cadran gradué

- Un balancier

- Un ressort (remonté avec clé) - Des rouages (engrenages) - La boite.

Les élèves connaissent ces éléments. Une seule élève connais-sait le terme d'écha.Epement.

Ce dernier élément ne peut être mis en évidence que sur les horloges jouets. On les distribue alors et on essaie de faire apparaître les relations entre ces différents sous ensembles.

3.2. -

Chaîne

On peut utiliser efficacement un tableau de feutrine avec des rectangles de carton floqué pour construire sinon le tableau logi-que comple t, du moins

la

chaîne cinématique.

Sur les horloges jouets il est facile de faire remarquer qu'une série de roues dentées assure la transmission du mouvement entre le barillet (contenant 1 0 ressort) et les aiguilles, qu'une autre série de roues dentées assure la liaison entre le barillet et l'échappement (ancre et roue d'échappement).

Il reste ensuite à analyser les mouvements des divers éléments et faire préciser la fonction de chacun.

Rotrtion 1 1

l

1 . Série ____ A_i_g_U_i_l_l_C_S_

J ..

s_ i Rotation

---;>t

! Barille t (moteur)

1

Ancre d ,_échappement " -1 Balancier

----T

.. - --.

e-" rotation alternatif Roue d'échappement

---.,..----

.-Série engrenages n02 l

i

!

1 Rotation Rotation

(3)

Les fonctions du barillet (moteur) et du balancier (régula-teur) peuvent être trouvées en mettant en évidence les deux conditions de mise en marche de l'horloge :

remontage du ressort

mise en mouvement du balancier.

En supprimant l'action du balancier et de l'ancre sur l'hor-loge jouet le ressort se déroule rapidement et le mouvement des aiguilles s'accélère. Ce mouvement devant être régulier, on fait ainsi apparaitre le rôle du balancier.

On réalise ensuite progressivement le schéma de l'horloge en analysant successivement la série d'engrenages nO 1 puis la série nO 2.

Pour faciliter la tâche des élèves, un cadre mettant en place les axes, le barillet, le support, leur est fourni (voir feuille

annexe). L'emploi de stylos feutres de différentes couleurs est recom-mandé.

Les élèves ont à installer d'abord les roues dentées

assurent la liaison barillet - aiguilles, puis celles qui assurent la liaison barillet - échappement.

aiguille

Schéma sur feuille annexe.

4°) -

Etude de la série d'engrenages nO 1.

4.1. -

EnE!enaze de iransmission du barillet à

grande _a:i"guill,$.. la

-Les deux roues dentées ont le même nombre de dents

(62).

Rapport de transmission: 1.

4.2. -

Train d' engrena.6..es2e démul tiElication ; grande aiguille.

Les élèves trouvent très facilement que ce train d'engrenages doit démultiplier par 12.

vitesse petitB aiguille 1

=

vitesse grande aiguille

On a dénombré

4

roues et

3

axes.

Pignon 1 lié totalement à llaxe de la grande aiguille. Roue 2 et pignon 3 liés sur un axe intermédiaire. Roue

4

liée à l'axe de la petite aiguille.

(4)

4

-Pour gagner du temps on fournit le nombre de dents des roues Ex. Zr= 10 Z2= 40 Z -

_3-

12 Z4=

36.

N₁ vitesse du pignon 1 (grande aiguille) N₂ vitesse de la roue 2 et du pignon

3

N vitesse de la roue 4 (petite aiguille).

3

En appliquant deux fois la règle de calcul du coefficient de transmission d'un engrenage.

N₂ ₁₀ ₁ N

3

12 1

rr.;-

=

_Tto

=

₄

_N 2 =

3b

=

"3

N

3

1

-w;-

=

₁₂

5.1. - Fonctionnement de

On constate aisément que l'ancre liée au balancier laisse échapper une dent de la roue d'échappement pour un aller et retour du balancier.

5.2. - Mouvement du balancier.

On fait analyser les caractéristiques du mouvement du balan-cier dans l'espace et dans le temps.

- Symétrie par rapport à la position de repos (une graduation gravée sur le boitier permet de la constater).

- Périodicité. On définit période, battement.

On détermine en définitive que l'ancre laisse échapper une dent pas période.

Sachant que la grande aiguille doit faire un tour complet en 1 heure ou 60 minutes ou 3.600 secondes, on peut se poser la question de savoir quelle doit être la valeur de la période du balancier (voir feuille annexe).

Ce calcul n'est pas facile. On peut se contenter de faire mesurer cette période. rl est intéressant de faire trouver aux élèves les conditions d'une mesure aussi bonne que possible (repérage des passages du balancier en un point dans le même sens, mesure sur plu-sieurs périOdes).

(5)

5.3. -

Réltlage de

Recherche à priori de facteurs pouvant influencer la période

- Masse

- Poids du balancier

- Distance du centre de gravité à l'axe de rotation - Amplitude.

Cette recherche est facilitée par l'observation directe de l'horloge: Le disque du balancier se translate le long de la tige.

Le balancier pouvant être réduit a un pendule simple, on pourra éventuellement montrer que le poids du balancier n'intervient pratiquement pas avec l'aide de deux pendules constitués par des boules (bois et laiton) suspendues à des fils. Les deux pendules se suivent lorsqu'ils ont même longueur et qu'ils sont lancés ensemble avec le même écart par rapport à la verticale.

On montre ensuite l'influence de la longueur en faisant varier celle de l'un d'entre eux.

Sur l'horloge, on maintient la masse du balancier, son poids en un lieu, l'amplitude du mouvement constant.

Seule peut varier la distance du centre de gravité à l'axe de rotation.

On peut enfin lancer une discussion sur le temps, sa mesure.

Etalon de temps ?

Unité de mesure.

On pourra évoquer les fluctuations de la période de rota-tion de la terre au cours d'une année et d'une année à l'autre (Ac-tuellement la terre ralentit).

On peut même citer les horloges électriques, les horloges à quartz, les horloges atomiques et indiquer que des éléments différents, le principe reste le même.

On se rapporte à un mouvement périodique (balancier, vibration d'un diapason, d'un cristal, d'un atome) pour mesurer, "conserver"

(6)

6

-• Pour cette dernière partie on peut se contenter de pré-parer les réponses à questions éventuelles des élèves.

• Les différents aspects de cette leçon (analyse d'un méca-nisme, analyse d'un mouvement) intéressent les élèves.

• Une bonne classe est capable de faire le calcul de la période par les rapports de transmission. Mais il n'est pas indispen-sable de le faire.

Le schéma est assez long a établir. Il faut deux séances au moins, pour traiter cette leçon.

J. GRIOTIER.

Le courrier de certains adhérents nous retourne pour adresse incomplète ou inexacte. Nous demandons à ceux qui connaissent les collègues dont les noms suivent, de bien vouloir les prévenir. Dès que nous connaîtrons leur nouvelle adresse, nous leur expédierons les bulletins qu'ils n'ont pas reçus.

MARE Marie-Claude - Valmont

SOLER Mireille, Avenue du Chevalier de Foulard - 84000 Avignon CASANOVA Odette, 6, rue Mal. Bugeaud, Pont du Las - 83000 Toulon MEJANEL Mireille,

7,

rue Baul Muselli - 13100 - Aix-en-Provence SERRES PIOLE, Résidence Bât.1. Appt. 63, rue de Belfort

33 - Mérignac

BARREAU Christiane - 16350 - Charves de Cognac GUILLOT Roger - 84000 - Avignon

(7)

(8)

(9)

Echappement J _ .. .• . . Nombre de tours Nombre de dents N' 1

R

₁

P1

Calcul des rapports N₂ .'.

----34

R

2 52 10

P

₂ 9 de transmission 1 N

T=""'=----1

...:2 =

N2 R3 : 56

P

3 .

.

15 N4

Ir=

3

""

Barillet

"-R4 62 R5 62 N

i

-...::.2. ;.;

N 4 :- N 1

-Si R (ou G.a.) fait un tour, la roue d'échappement fait •••••• tours et ceti en 3.600 secondes.

Nombre de dents libérées par l'ancre pendant ce temps. Nombre d'oscillations complètes (de périodes) du balancier Calcul de la T du balancier.