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Atelier découverte · Physique

Leviers : la balançoire, la grue, le biceps

Comment un enfant léger peut-il faire monter un adulte ? Pourquoi une grue porte-t-elle un contrepoids ? Et pourquoi ton biceps tire-t-il si fort ? Essaie, prédis, calcule : tout est affaire de distance à l’axe.

Au programme du CM2 à la 5e ⏱ 15 à 20 min 8 missions

Qui monte ? Touche une personne, puis une place sur la planche. Tu peux aussi la faire glisser.

Palier 1 · DécouvrirQui fait pencher la balançoire ?

La grande balançoire

  1. Touche une personne, puis une place sur la planche. Les nombres sous la planche disent à quelle distance de l’axe elle est assise, en mètres.
  2. Pour l’instant, des cales tiennent la planche droite. Installe qui tu veux, fais ton pronostic, puis retire les cales.
  3. Tu marques un point chaque fois que ton pronostic est juste.

Le plus lourd gagne-t-il toujours ?

Installe Léa (20 kg) tout au bout d’un côté, à 3 m de l’axe. Installe Sami (40 kg), deux fois plus lourd, à 1 m de l’axe, de l’autre côté. Puis retire les cales.

Alors, le côté le plus lourd descend-il toujours ?

Trouver l’équilibre

Retire les cales, puis déplace les enfants jusqu’à ce que la balançoire reste droite. La mission ★ « Équilibre la balançoire » te demandera de le faire avec Sami et Léa.

Après tes essais, complète :

Pour équilibrer quelqu’un de plus lourd, le plus léger doit s’asseoir l’axe. Plus on s’assoit loin de l’axe, plus son côté de la planche .

Le pied-de-biche

Un pied-de-biche est une barre de fer recourbée. On glisse son bec sous une caisse lourde ; son coude repose sur le sol : c’est le point d’appui. On appuie sur le manche, et la caisse se soulève.

Choisis « Pied-de-biche » au-dessus du banc. Règle la longueur du manche, puis appuie. La mission ★ « Soulève la caisse » t’attend.

Pour soulever la caisse en appuyant moins fort, il faut un manche…

Une question pour le palier 2 : Maman (60 kg) s’assoit à 1 m de l’axe, Tom (30 kg) à 2 m, de l’autre côté. Ton pronostic ?

Tes missions

Voici les missions du palier choisi. Réponds, puis clique sur « Valider ma réponse ». Si ce n’est pas encore ça, un indice t’aide. Après trois essais, tu peux voir la solution.

Le savais-tu ?

Des faits vrais, et les calculs qui les prouvent.

Les mots de l’atelier

Chaque mot, en une ou deux phrases.

Levier
Une barre rigide qui peut tourner autour d’un point fixe. Il permet de soulever lourd avec une petite force, ou de faire un grand mouvement avec un petit.
Point d’appui (axe)
Le point fixe autour duquel le levier tourne : le milieu de la balançoire, le coude du pied-de-biche, le mât de la grue, le coude du bras.
Bras de levier
La distance entre l’axe et la ligne de la force. Pour une personne assise sur la balançoire, c’est sa distance à l’axe.
Équilibre
Un levier est en équilibre quand rien ne le fait tourner : masse × distance, ou le moment, est le même des deux côtés.
Masse (kg)
La quantité de matière d’un objet, en kilogrammes. Elle est la même partout, sur Terre comme sur la Lune.
Poids (N)
La force avec laquelle la Terre, ou un autre astre, attire un objet. Il se mesure en newtons : P = m × g.
Force, newton (N)
Une action qui pousse ou qui tire. Elle se mesure en newtons (N). Sur Terre, une masse de 1 kg a un poids de 9,81 N.
Moment d’une force (N·m)
L’effet d’une force pour faire tourner un objet autour d’un axe : force × bras de levier.
Contrepoids
Une masse placée de l’autre côté de l’axe pour équilibrer la charge.
Flèche, contre-flèche
Les deux bras horizontaux d’une grue à tour. La flèche porte le chariot et la charge ; la contre-flèche porte le contrepoids.
Limiteur de moment
L’appareil qui bloque le levage d’une grue quand charge × distance dépasse ce qu’elle peut porter.
Genre d’un levier
1er genre (inter-appui) : l’appui est au milieu. 2e genre (inter-résistant) : la charge est au milieu. 3e genre (inter-moteur) : l’effort est au milieu.
Muscle, tendon
Un muscle ne peut que tirer, en raccourcissant. Il est attaché aux os par des tendons.
Pour les parents et les enseignantsouvrir

Objectifs

  • Découvrir par l’essai que l’effet d’une personne sur une balançoire dépend de sa masse et de sa distance à l’axe, pas de sa masse seule.
  • Établir la règle de l’équilibre, masse × distance identique des deux côtés, puis s’en servir pour calculer une distance.
  • Comprendre le rôle du contrepoids d’une grue et pourquoi sa charge maximale diminue le long de la flèche.
  • Passer de la masse au poids (P = m × g), puis au moment d’une force (M = F × d).
  • Découvrir que le bras est un levier qui perd en force pour gagner en vitesse et en amplitude ; classer les leviers en trois genres.

Notions

Levier, point d’appui (axe), bras de levier, équilibre, proportionnalité inverse, masse (kg), poids (N), force, newton, moment d’une force (N·m), contrepoids, courbe de charge, genres de leviers, muscles qui tirent par paires.

Déroulé (15 à 20 minutes)

Palier 1 : installer des enfants sur la balançoire, prédire, tester, trouver un équilibre à tâtons ; soulever une caisse au pied-de-biche. Palier 2 : la règle masse × distance, les calculs d’équilibre, la grue et son contrepoids. Palier 3 : le poids en newtons, le moment d’une force, la force du biceps, les trois genres de leviers.

Idées d’élèves travaillées

« Le côté le plus lourd descend toujours » ; « on compare en ajoutant la masse et la distance » ; « un levier fabrique de la force, ou de l’énergie » (on gagne en force, on perd en distance) ; « un muscle peut pousser » (il ne peut que tirer). Ces idées sont logiques pour l’enfant : l’atelier les fait tester plutôt que corriger d’autorité.

Liens avec les programmes

  • Cycle 3, sciences et technologie : au CM2, en technologie, comment soulever facilement un objet lourd, et la balance romaine.
  • Cycle 3, mathématiques : en 6e, la proportionnalité ; ici, sa forme inverse (deux fois plus loin, deux fois moins de masse).
  • Cycle 4, physique-chimie : les actions mécaniques modélisées par des forces, des situations d’équilibre (balance, muscles) ; en fin de cycle, le poids P = m × g.
  • Au-delà du collège : le moment d’une force, M = F × d. Il découle directement de la règle de la balançoire ; son badge indique seulement qu’il n’est pas au programme du collège.

Référence : programmes officiels des cycles 3 et 4, publiés au Bulletin officiel de l’Éducation nationale (versions en vigueur).

À faire en vrai

Posez une règle plate en équilibre sur un crayon rond, puis des pièces identiques : deux pièces à 5 cm de l’axe équilibrent une pièce à 10 cm de l’autre côté. Au parc, sur une vraie balançoire, un enfant léger assis tout au bout peut équilibrer un adulte assis près de l’axe.

Ce que l’atelier simplifie

La balançoire mesure 6,5 m, plus qu’une vraie, pour avoir de la place ; la planche est symétrique et chaque personne compte comme un point. En équilibre, une vraie balançoire reste dans la position où on la lâche : l’atelier la montre lâchée à l’horizontale. Les mouvements sont une illustration. Le pied-de-biche, la caisse (50 kg au bec) et la force de la main (8 kg au plus) sont des valeurs de jeu. La grue est l’exemple générique du laboratoire de la grue, sans vent ni balancement. Le bras est celui d’un homme adulte (valeurs d’exemple du laboratoire des muscles), avant-bras horizontal, avec les muscles qui plient le coude regroupés en un seul.

Sources

Les calculs viennent des modèles des laboratoires La grue et l’équilibre (fichier crane.js) et Les muscles et le squelette (fichier muscle.js), et du modèle de l’atelier (modele.js), qui les réunit.

  1. Archimède (IIIe s. av. J.-C.). De l’équilibre des plans, livre I, propositions 6 et 7 : la loi du levier. Traduction anglaise : Heath T.L. (1897), The Works of Archimedes, Cambridge University Press.
  2. Pappus d’Alexandrie (IVe s.). Collection mathématique, livre VIII : la phrase attribuée à Archimède, « donne-moi un endroit où me tenir, et je déplacerai la Terre ». Plutarque (vers 100). Vie de Marcellus, 14 : la lettre d’Archimède au roi Hiéron.
  3. Winter D.A. (2009). Biomechanics and Motor Control of Human Movement, 4e éd. Wiley. Masses et positions des segments du bras, reprises comme valeurs d’exemple par le modèle muscle.js.
  4. Grue du laboratoire La grue et l’équilibre : exemple générique aux ordres de grandeur d’une grue de chantier de 50 m de flèche (contrepoids, lest, courbe de charge de 120 t·m, 8 t au crochet, palans).
  5. Siegler R.S. (1976). « Three aspects of cognitive development ». Cognitive Psychology 8(4), 481–520. Comment les enfants raisonnent sur une balance à fléau : d’abord la masse seule, puis la masse et la distance.
  6. NASA, Planetary Fact Sheets : masse de la Terre (5,97 × 10²⁴ kg) et pesanteur à la surface de la Lune (1,62 m/s², soit 1,62 N/kg).
  7. Ministère de l’Éducation nationale. Programmes d’enseignement du cycle 3 (sciences et technologie, mathématiques) et du cycle 4 (physique-chimie), Bulletin officiel de l’Éducation nationale.