Equilibre et Déséquilibre

Le thème est abordé en vue d'une visite d'une exposition du même nom

           

Introduction - 1ère séance

Exercices individuels

• Se positionner debout et trouver son point d’équilibre les deux pieds bien encrés au sol (penser à l’écartement entre les pieds, penser à répartir le poids sur les deux jambes)
• Fermer les yeux et chercher à avancer et reculer tout en gardant son équilibre (sans tomber ni en avant ni en arrière)
• Garder l’équilibre avec les yeux ouverts et sur une seule jambe
• Garder l’équilibre avec les yeux fermés et sur une seule jambe

Pourquoi y a-t-il une différence entre l’équilibre qu’on a avec les yeux ou fermés ?

les premières évidences :

• Quand on a les yeux ouverts, on fixe un point. Le point ne bouge pas, mais notre corps bouge, alors le cerveau transmet au corps les informations pour rester en équilibre
• Quand on a les yeux fermés, on ne peut plus voir, donc on n’a plus de point de repères, c’est plus difficile, et pourtant notre cerveau transmet quand même des informations au corps pour qu’on ne tombe pas, mais elles viennent d’où ????

Description du ressenti quand on cherche à garder l’équilibre les yeux fermés :

• Moi, j’ai l’impression que mon cerveau n’a vraiment pas l’habitude de sentir le corps si instable
• Il faut vraiment se forcer à ne pas ouvrir les yeux
• On dirait que je pèse plus lourd, que tout bascule
• J’ai eu des tremblements dans les jambes, ça fait mal
• Oui, mais si je tends les bras j’ai plus d’équilibre, ça répartit le poids
• Attention, il faut lever les deux bras de chaque côté, parce que sinon ça bascule trop d’un côté…
• Moi , j’essaie de me concentrer sur une image, mais très fort, et j’ai l’impression de ne pas trop bouger, mais dès que je me déconcentre c’est trop instable
• En tout cas, moi je trouve que c’est stressant, que c’est dérangeant
• J’avais vraiment l’impression de tomber
• J’avais toutes les informations qui venaient des jambes, mon cerveau disait crispe-toi, détend-toi, va à gauche, à droite
• J’avais comme un dessin de ma plante de pied dans la tête. Et si je sentais ou "voyait" plus le côté gauche appuyer fort, je savais que je devais rectifier en balançant à droite.

Expériences en groupes

Les groupes ont à répondre au quiz suivant :

• Pourquoi dit-on que si l’atmosphère se réchauffe, les glaces des pôles en fondant feront monter le niveau des océans ?
• Depuis la position assise, pourquoi est-il plus facile de se lever en étendant les bras devant soi plutôt qu’en les plaçant derrière la tête ?
• Comment pourrait-on fabriquer des dés pipés ?
• Une remorque est chargée de plusieurs tonnes de plumes. Une autre est chargée du même poids de briques. Un vent violent souffle, laquelle des deux remorques a le plus de risques de se renverser ? Pourquoi ?

Manipulations / réflexions

• Essayer de construction un "bonhomme équilibriste" avec les éléments suivants :
  • 1 crayon
  • 1 petit morceau de pâte à modeler
  • 1 cure-dent
  • 2 pailles avec coudes
  • 1 petit morceau de carton
  • de la colle ou du papier autocollant

Matériel à disposition de chaque groupe

Montage délicat tout en finesse

et bizarrement, ça tient très bien...

... même si on souffle dessus

• Avec 7 pinces à linges fixées les unes aux autres, essaie de faire tenir un crayon en équilibre au bord d’une table

Quelques tentatives infructueuses : 1 seule pincette doit toucher le bord de la table et aucune ne doit se positionner au dessus !

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2ème séance

Réponses à la dernière réponse du quiz :
Une remorque est chargée de plusieurs tonnes de plumes. Une autre est chargée du même poids de briques. Un vent violent souffle, laquelle des deux remorques a le plus de risques de se renverser ? Pourquoi ?

• Il y a moins de briques que de plumes
• Pour moi les briques sont plus lourdes que les plumes
• Les briques ça reste, c’est lourd, ça reste à sa place, tandis que les plumes ça peut voler dans le camion, donc avec les briques ça ne peut pas pencher n’importe ou
• Je pense que les briques c’est plus compact, plus dur, tandis que les plumes ça a moins de change de faire bouger le camion. Par contre, les briques peuvent plus faire pousser le camion d’un côté ou de l’autre
• Pour moi il n’y a pas de différence si c’est le même poids dans les deux remorques
• Il y a le même poids dans les deux camions, alors si un se retourne, l’autre aussi.
• Ça dépend, pour moi le camion il fera le même poids, donc les uns et les autres le même nombre de chance de se renverser.
• Si pour les plumes il faut un camion plus grand, il sera plus lourd, le camion
• Il n’y a pas le même nombre de plumes et de briques
• Le camion a plus de surface pour pousser le camion donc il peut se renverser plus facilement.
• Pour moi, il faut peut-être vingt plumes pour faire une brique, alors je pense que ça prendra pas plus de place.

Ses réponses montrent à quel point, il faut absolument aborder le therme de "centre de gravité" !!!

Le Centre de gravité, c’est quoi ?

Vos réponses (sans explication initiale)

• ...
• ...
• ...

Où se trouve le centre de gravité ?

Matériel : divers objets, tels que règle, crayon, couteau, marteau, ciseaux, fer à cheval, CD
Expérience

• Les élèves doivent essayer de deviner la position du centre de gravité de chaque objet puis la déterminer expérimentalement. On peut utiliser le doigt ou une ficelle
• On peut prendre tout le matériel qu'on a à disposition devant soi...
• On essaie également de monter une tout en équilibre

Résultats et réflexions :

• Il faut répartir le poids de chaque côté du point d’appui
• Pour faire une sorte de tour, on essaie de mettre le même poids de chaque côté
• On peut faire des châteaux de cartes ou avec les dessous de bière
• Moi, j’ai vu une émission de télévision avec des questionnaires et puis, ils ont parlé du centre de gravité, et que par exemple on ne peut pas se baisser pour ramasser quelque chose par terre si on est appuyé contre un mur, parce que le centre de gravité de notre corps se déplace et nous pousse en avant.

Conclusions attendues :
- Le centre de gravité est lié à LA SYMETRIE de l’objet
- Le centre de gravité peut être EN DEHORS de l’objet (fer à cheval)
- Si un objet est fait de matériaux différents ( marteau = bois + métal), il est moins facile de deviner où est le centre de gravité

Rechercher le Centre de gravité

Le funambule

Matériel un fil assez long pour le tendre au travers de la classe des bouchons de liège des cure-dents ou des allumettes des baguettes de la pâte à modeler Expérience Construire un funambule en différentes étapes Trouver l'étape où l'équilibre est le plus assuré Expliquer le raisonnement Résultats obtenus ... ... ...

3ème séance

Préambule

• le fait d'avoir aborder le centre de gravité et l'équilibre m'amène également à aborder le thème du levier !

1. Utiliser une règle et une gomme ou un tube de colle comme support.
2. Essayer de créer l’équilibre parfait avec des éléments de ta trousse.
3. Essayer de déplacer les objets depuis les extrémités de la balance à d’autres endroits le long de la règle
4. Essayer de déplacer le support de la balance vers les extrémités et contrôler le poids qu’il faut de chaque côté pour équilibrer le tout

Chaque élève fait ses expérimentations seul et est prié de noter ses résultats (ou dessins) et d'en tirer des conclusions et ses interrogations ("J'ai compris que ..." / "Je n'ai pas compris ...")




Les élèves expliquent leurs expériences et expriment leur conclusions

• Au début, j’ai fait tout simple, j’ai mis deux objets de même poids, ça marche bien, ça tient en équilibre.J’ai aussi essayer avec mes deux mêmes objets, l’un debout, l’autre couché, ça marche très bien aussi.
  Même si ce ne sont pas les mêmes objets qui n’ont pas le même poids, si on les place bien, ça pourra quand même être équilibré (j'ai fait des essais en tâtonnant)
  
• J’ai remarqué que si le support est déplacé vers l'une des extrémités, avec un poids lourds d’un côté et un poids léger de l’autre, il suffit de déplacer la règle pour trouver le parfait équilibre
• J’ai trouvé que si par exemple qu’on a un tout petit bout de règle d’un côté, il faut mettre beaucoup de poids de ce côté-là et un tout petit poids de l’autre côté, au bout de la règle qui est très longue.
• Si on met des objets au milieu sur le support, c’est forcément à tous les coups équilibré
• J’ai pas compris pourquoi ça tient quand même quand on met du poids sur le petit côté et qu’on ne met rien de l’autre
• Si on met le support au bout de la règle et qu’on met la règle dessus, et une trousse par-dessus ça tiendra bien, mais si je rajoute une toute petite gomme à l’autre bout ça tombe

Matériel : formes en carton percées de plusieurs trous (fait à la perforatrice par exemple), crayon fixé debout (avec de la pâte à modeler par exemple).


Expérience : Le centre de gravité d'un carton

Matériel une forme de carton, des ciseaux, une ficelle, du poids, un trombone, une règle, un crayon
Expérience découper un morceau de carton aux contours inégaux avec la pointe d'un crayon, faire deux petits trous près des bords opposés du morceau de carton fabriquer un fil à plomb en accrochant un petit objet au bout d'un fil. dérouler un trombone pour faire un crochet et fixer celui-ci sur le bord d'une table avec du papier adhésif accrocher à ce crochet le carton puis le fil à plomb lorsque le fil à cessé d'osciller, faire une croix près du bord du carton sous le fil. retirer le carton et tracer un trait à la règle entre le trou de suspension et la croix tracée. recommencer les opérations pour le deuxième trou.
Résultat : le point de croisement des deux traits est le centre de gravité du carton. Si on place le doigt à ce point, le carton reste en équilibre. Conclusions : Le poids tire les objets vers le bas. On peut déterminer facilement le centre de gravité.   Ceci permet de trouver le point pour faire tenir une forme inégale en équilibre.

Explications théoriques du centre de gravité

	Qu'est-ce que c'est ? Le centre de gravité d'un objet est le point autour duquel la masse est répartie symétriquement. Ce point est aussi appelé centre de masse. Si on connaît la position du centre de gravité d'un objet, on peut prédire les états d'équilibre de celui-ci Comment le détermine-t-on ? Pour déterminer le centre de gravité d'un crayon, il suffit de le poser sur le bout d'un doigt et de trouver la position pour laquelle il est en équilibre. Le centre de gravité est le point d'application du crayon sur le doigt. Pour déterminer le centre de gravité d'une forme en carton, on la suspend par un point et on trace la verticale (ou on utilise un fil à plomb). On la suspend ensuite par un autre point et on trace à nouveau la verticale. A l''intersection des deux traits se situe le centre de gravité Trucs et astuces Un objet est en équilibre tant que la ligne verticale qui passe par son centre de gravité est comprise à l'intérieur de sa surface d'appui. la stabilité d'un objet dépend, entre autre, de la position de son centre de gravité : plus celui-ci est bas, plus l'objet est stable. Lorsqu'un objet a son centre de gravité plus bas que son point d'appui il est en position d'équilibre très stable.

Réponses au quiz de la première séance :

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Ressources documentaires :

• Dossier pédagogique Exposition "Equilibre et Déséquilibre"
• Cours i-structures EPFL
• La main à la pâte - leviers et balances