Comment glisser loin sur une pente enneigée ?
Objectifs: Concevoir et fabriquer un petit plan incliné pour répondre à la problématique
Cycles d'apprentissage: 2e et 3e cycles du primaire et 1er cycle du secondaire
Compétence du 21e siècle: Résolution de problème
Progression des apprentissages en S et T:
UNIVERS MATÉRIEL
Propriétés et caractéristiques de la matière
Distinguer la masse (quantité de matière) d’un objet de son poids (force de gravité exercée sur une masse)
Attraction gravitationnelle sur un objet
Décrire l’effet de l’attraction gravitationnelle sur un objet (ex. : chute libre)
Caractéristiques d’un mouvement
Décrire les caractéristiques d’un mouvement (ex. : direction, vitesse)
Effets d’une force sur la direction d’un objet
Identifier des situations où la force de frottement (friction) est présente (pousser sur un objet, faire glisser un objet, le faire rouler)
Identifier des manifestations d’une force (ex. : tirer, pousser, lancer, comprimer, étirer)
Décrire comment une force agit sur un corps (le mettre en mouvement, modifier son mouvement, l’arrêter)
Cycles d'apprentissage: 2e et 3e cycles du primaire et 1er cycle du secondaire
Compétence du 21e siècle: Résolution de problème
Progression des apprentissages en S et T:
UNIVERS MATÉRIEL
Propriétés et caractéristiques de la matière
Distinguer la masse (quantité de matière) d’un objet de son poids (force de gravité exercée sur une masse)
Attraction gravitationnelle sur un objet
Décrire l’effet de l’attraction gravitationnelle sur un objet (ex. : chute libre)
Caractéristiques d’un mouvement
Décrire les caractéristiques d’un mouvement (ex. : direction, vitesse)
Effets d’une force sur la direction d’un objet
Identifier des situations où la force de frottement (friction) est présente (pousser sur un objet, faire glisser un objet, le faire rouler)
Identifier des manifestations d’une force (ex. : tirer, pousser, lancer, comprimer, étirer)
Décrire comment une force agit sur un corps (le mettre en mouvement, modifier son mouvement, l’arrêter)
Mise en situation
Présenter aux élèves l'extrait du film Christmas Vacation (1989) Le sapin a des boules dans lequel le légendaire Clark Griswald descend une pente à vive allure. Discuter avec les élèves des sports de glisse comme la luge, le ski, le bobsleigh ou le patin. Interroger les élèves sur la vitesse de glisse du point de départ à l'arrivée.
3 pentes, 3 accélérations ?
As-tu déjà réalisé que lorsque tu descends en ligne droite sur une pente tu gagnes de la vitesse au fur et à mesure que tu avances ? En d’autres mots, tu accélères. Mais est-ce que cette accélération est toujours la même peu importe la pente ? Pour le savoir, utilise d’abord un grand album plastifié ou un cartable rigide que tu pourras déposer sur un deuxième objet comme une boîte de mouchoir pour faire varier l’angle d’inclinaison. Puis, fais glisser un même bloc plastifié ou une même petite voiture à partir du point le plus élevé sur chacun des plans inclinés. Tu peux atténuer l’arrivée au sol en collant une feuille de papier dans le bas de plan incliné avec du ruban adhésif. Que remarques-tu lorsque tu diminues progressivement l’angle d’inclinaison ?
Il faut trouver le bon angle d'inclinaison afin que l'objet se déplace suffisamment et, à l'opposé, qu'il n'arrive pas avec une trop grande vitesse et qu'il rebondisse au sol.
Il faut trouver le bon angle d'inclinaison afin que l'objet se déplace suffisamment et, à l'opposé, qu'il n'arrive pas avec une trop grande vitesse et qu'il rebondisse au sol.
L'effet de l'attraction gravitationnelle
La gravité est la force qui nous attire vers la Terre. Il existe quatre grandes interactions qui régissent notre Univers. L'attraction gravitationnelle est l'une de celles-là, c'est la force qui unit deux masses. L'objet plus massif est celui qui exerce l'attraction sur l'autre. La Terre exerce une attraction sur la Lune c'est ce qui permet de la maintenir en orbite autour de nous. La Lune n'a en effet que 1,23% de la masse de la Terre. Le Soleil quant à lui est 330 000 fois plus massif que la Terre. Il nous maintient à son tour en orbite autour de lui. C'est la gravité qui nous retient au sol par son attraction. Lorsqu'on laisse tomber un objet, une balle par exemple, celle-ci subit une accélération vers le bas de 9,8 m/s2.
À partir des observations sur les trois angles d'inclinaison, amener les élèves à réaliser que plus pente est élevée, plus l'objet arrivera en bas à grande vitesse. Autrement dit, plus on se rapproche d'un angle droit, donc d'une chute libre, plus l'accélération se rapproche de celle de l'attraction gravitationnelle. Et à l'opposé, plus l'angle d'inclinaison est petit, moins l'objet subit d'accélération.
Pour aller plus loin, lire avec les élèves l'article "La gravité: une force attirante", publié sur le site web de Québec Science.
À partir des observations sur les trois angles d'inclinaison, amener les élèves à réaliser que plus pente est élevée, plus l'objet arrivera en bas à grande vitesse. Autrement dit, plus on se rapproche d'un angle droit, donc d'une chute libre, plus l'accélération se rapproche de celle de l'attraction gravitationnelle. Et à l'opposé, plus l'angle d'inclinaison est petit, moins l'objet subit d'accélération.
Pour aller plus loin, lire avec les élèves l'article "La gravité: une force attirante", publié sur le site web de Québec Science.
Plusieurs essais avec une même pente
À présent, choisis un angle d’inclinaison moyen et fais glisser un objet de ton choix. Calcule la distance parcourue par ton objet. Prends ta mesure au bas du plan incliné jusqu’à l’endroit où l’objet s’immobilise. Refais plusieurs essais en partant toujours du même point et en utilisant toujours le même objet. Assure-toi de reproduire, à chaque essai, les mêmes conditions en plaçant ton objet en haut du plan incliné et en t’assurant qu’il soit placé parallèle à la pente. Que remarques-tu en comparant tes résultats aux différents essais ? Pourquoi l’objet finit-il par s’immobiliser ?
La force de frottement en jeu
Lorsque tu fais rouler une balle au sol dans une direction sans obstacle, celle-ci roule, puis ralentit pour éventuellement s'immobiliser. Si on refait la même expérience dans l'espace, le même objet continue sa lancée à l'infini à la même vitesse sans jamais décélérer. Pourquoi? Dans le vide sidéral, il n'y a pas de friction. Sur Terre, en revanche, la même balle est attirée vers le bas par la gravité, mais elle subit aussi un force de frottement en raison de son interaction avec l'air ambiant et la surface. La force de frottement s'exerce entre des surfaces qui sont contact et dont le mouvement s'oppose. Même si la balle semble parfaitement lisse, elle présente des aspérités. Lorsque ces aspérités entrent en contact avec celles du sol l'objet ralentit.
L'air exerce également une friction sur un objet. Pour le démontrer, prends deux feuilles de papier de même dimension. L'une est en boule, l'autre est toute droite. Lorsqu'on les laisse tomber, la première file droit au sol alors que la deuxième se laisse porter par l'air et arrive bon deuxième. Sur la Lune, le commandant Scott de la mission Apollo 15 a pu faire l'expérience en absence de friction de l'air. Il a pris deux objets, une plume et un marteau. Il les a lâché au même moment et les deux sont arrivés sur le sol lunaire au même instant. Clique ici pour voir cette expérience et faire l'expérience Deux objets en chute libre.
Pour aller plus loin, lire avec les élèves l'article "Des freins qui frottent" publié sur le site web de Québec Science.
L'air exerce également une friction sur un objet. Pour le démontrer, prends deux feuilles de papier de même dimension. L'une est en boule, l'autre est toute droite. Lorsqu'on les laisse tomber, la première file droit au sol alors que la deuxième se laisse porter par l'air et arrive bon deuxième. Sur la Lune, le commandant Scott de la mission Apollo 15 a pu faire l'expérience en absence de friction de l'air. Il a pris deux objets, une plume et un marteau. Il les a lâché au même moment et les deux sont arrivés sur le sol lunaire au même instant. Clique ici pour voir cette expérience et faire l'expérience Deux objets en chute libre.
Pour aller plus loin, lire avec les élèves l'article "Des freins qui frottent" publié sur le site web de Québec Science.
LA force aérodynamique
Lorsque tu sors ta main d'une voiture en mouvement, tu ressens la résistance de l'air aussi appelée force aérodynamique. La résistance de l'air peut être atténuée en mettant ta main en position horizontale. La force de résistance est ainsi diminuée et en soulevant à peine les doigts la main se soulève. Ta main se soulève parce que l'air passe plus vite sur ta main que sous ta main précisément à cause de l'angle que tu lui donnes. Il en est de même pour des avions ou des oiseaux. Lorsqu'ils décollent l'air qui passent au-dessus de l'aile circule plus rapidement que l'air en dessous. La pression est donc plus grande sous l'aile et l'oiseau ou l'avion prend son envol (image et photo : Wikimedia commons).
Dehors, pour glisser plus loin, il faut aussi diminuer la résistance du vent. Mais, le défi se corse car plus le traineau prend de la vitesse sur la pente plus grande est la résistance du vent. Un autre défi à considérer est le volume de l'objet. Plus l'objet en mouvement est gros plus il offre de la résistance à l'air. Les ingénieurs qui conçoivent les véhicules de course travaillent pour atténuer la résistance de l'air en abaissant le profil sur le devant du véhicule. Une voiture de course a donc un devant très bas pour plus facilement faire circuler l'air.
Et sur la neige maintenant ? |
Impossible d'aller DEhors, on fait un modèle |
Visionne la courte vidéo. À toi de relever le défi de glisser encore plus loin ! Émets une hypothèse pour amener ton traineau ou ta chambre à air plus loin sur une petite pente enneigée. Fais varier un facteur ou une condition et comparer avec les déplacements du traineau avec et sans modification apportée.
|
Visionne la courte vidéo. À toi de relever le défi de glisser encore plus loin! Toujours sur ton plan incliné, fais glisser une boule de pâte à modeler placée sur un petit traineau de plastique. Évidemment, glisser sur une surface plastifiée n’a rien à voir avec une surface enneigée ou glacée. Tu pourras néanmoins faire varier un facteur ou une condition et comparer avec les déplacements du traineau avec et sans modification apportée. Et, le moment venu, tu pourras tester ton idée sur une vraie pente enneigée!
|
Dans la version à expérimenter dehors, les mesures seront prises à l'extérieur avec un mètre. Si on opte plutôt pout l'expérience du modèle (à l'intérieur), une règle pourra mesurer les distances en centimètres.
Cahier de l'élève version expérience dehors |
CAHIER DE L'ÉLÈVE VERSION expérience à l'intérieur |
|
|