Nous construisons des dispositifs de levage simples - Ministère de l ...

Relation de l’unité
d’enseignement avec
le plan d’études
Situation de l’unité
dans le plan
en spirale
Cours d’«Eveil aux Sciences»
2ème année primaire
Ministère de l’Education nationale et
de la Formation professionnelle
Luxembourg 1999
Contenu
Nous construisons des dispositifs de levage simples P. 1
Le plan d’études pour l’éveil aux sciences / sciences naturelles est conçu en forme de spirale. Dans le
cadre d’un domaine particulier des thèmes sont repris et approfondis au cours des années d’études à
l’aide de méthodes de travail et de techniques différentes.
Comme les différentes années d’études constituent un ensemble cohérent, il convient de traiter
obligatoirement les thèmes prévus dans le plan d’études.
L’unité de ce cahier fait partie du domaine des expériences techniques (construction de
dispositifs techniques).
Dans le cadre de ce domaine les enfants sont censés développer des capacités de manier du
matériel, des outils et des dispositifs techniques ; développer la pensée technique, comprendre des
dispositifs et des processus techniques ; faire l’expérience des effets réciproques entre l’homme et la
technique par des exemples adaptés.
1re année d’études : examiner, construire, essayer, fabriquer quelque chose
(p.ex. des véhicules simples avec un essieu et une roue)
2e année d’études : construire des modèles simples (p.ex. une fontaine, une grue avec
treuil et manivelle)
4e année d’études : la bicyclette (développement)

Nous construisons
des dispositifs de levage
simples

2.1.
Informations de
base
Nous construisons des dispositifs de levage
simples
1. Objectifs de l’unité
Les enfants doivent apprendre les éléments de base du treuil et de la manivelle par un exemple
simple ; construire eux-mêmes le modèle d’un système de levage/ une machine simple avec un treuil
et une manivelle ; explorer l’utilisation de cette construction de base dans des outils et des appareils
de la vie de tous les jours ; apprendre que les dispositifs de levage nous simplifient le travail.
2. Informations à l’intention des enseignant-e-s
En 1re année d’études, les élèves devraient avoir appris les concepts d’essieu, de roue ou de levier.
Cette unité leur permet de se rappeler leurs connaissances. Si ces concepts présentent des difficultés
pour la plupart des élèves, l’enseignant(e) doit les répéter.
La présente unité introduit deux nouvelles constructions techniques de base :
Le treuil est un axe sur coussinet auquel est fixée une ficelle ou une corde de telle façon qu’elle
s’enroule lorsque l’axe tourne et soulève un poids fixé à l’autre bout de la ficelle. Cela se produit en
transmettant une force sur l’axe par une manivelle. Selon le cas, l’axe est plus ou moins gros.
Le treuil et la manivelle constituent
un levier qui établit une
rotation autour de l’axe ; le
treuil est le bras du poids, la
manivelle le bras de la force
motrice. Le dispositif rotatoire
permet un effet de levage
continu.
Par l’application des lois de
levier (bras du poids x poids) =
(bras de la force motrice x force)
le dispositif optimal est
constitué par un axe aussi
mince que possible en relation
avec une manivelle aussi
longue que possible.
Le principe de la manivelle est
très ancien. On le trouve non
seulement comme transmission
de la force dans le treuil, mais
aussi dans des machines et des
appareils sans corde. Dans ces
derniers des axes sont mis en
mouvement qui à leur tour mettent en mouvement d’autres parties de ces machines et appareils
(p.ex. dans les anciens moulins à café).
Aujourd’hui, la plupart des appareils et des machines ne sont plus mûs par une manivelle, donc par
la force du poignet, mais à l’aide d’un moteur. Mais la manivelle est toujours utilisée dans de
nombreux appareils d’usage courant (comme p.ex. la passe-vite).
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2.2.
Réflexions
didactiques et
méthodologiques
Les dispositifs de levage facilitent le travail des hommes.
Il est évident que les remarques faites en 2.1. à propos du treuil et de la manivelle ne peuvent être
transmises sous cette forme à des enfants de deuxième année d’études.
Le problème est posé à l’aide d’un treuil primitif construit par l’enseignant(e). Ensuite, une grue jouet
est analysée en ce qui concerne son fonctionnement. L’observation et l’analyse communes
permettent de saisir les premiers éléments.
Quand le concept du treuil a été élaboré, les enfants peuvent eux-mêmes construire un dispositif de
levage en modèle (p.ex. un puits avec un dispositif de levage, une grue, un monte-charge).
Ceci peut se faire avec un jeu de construction technique ou avec du matériel ordinaire.
Jeu de construction technique
L’avantage du jeu de construction réside dans sa précision qui permet de faire des constructions qui
fonctionnent même avec des enfants peu doués pour les activités manuelles. Le coût assez élevé
s’amortit par l’usage fréquent dans plusieurs classes et degrés. Des modèles fautifs peuvent
facilement être corrigés. Cependant, le travail avec le jeu de construction exige certaines
connaissances en ce qui concerne le matériel et le maniement des éléments et doit éventuellement
être exercé au préalable. Les cartes de travail 1 (rangement) et 2 (assemblage) jointes au jeu Lego
«Dacta 1» (no 1030) s’y prêtent particulièrement. Les autres cartes offrent de bonnes possibilités
d’élargir le champ d’expérience.
Les élèves travaillent le plus facilement à deux avec un jeu. Comme le matériel pour les modèles
proposés ici n’est pas disponible en nombre suffisant, un seul exemplaire peut être construit par
groupe et par jeu.
Un autre désavantage est que les élèves doivent à un moment enlever leur construction et ne
peuvent pas non plus l’emporter chez eux.
Il est regrettable encore que les kits ne contiennent pas de manivelles et que le matériel ne permet
pas d’en assembler.
On peut cependant remplacer la manivelle par une roue avec une poignée montée de façon
décentrée. Le principe est le même que pour une manivelle simple.
Matériel ordinaire
L’usage de matériel ordinaire engage tout particulièrement l’imagination et la créativité des enfants.
Chaque élève peut en outre travailler sur son modèle individuel qu’il peut conserver à la fin de
l’unité. Un maniement fautif du matériel peut cependant avoir des conséquences négatives pour le
fonctionnement des constructions. Il faut p.ex. tenir compte de l’importance du collage correct.
Pour les travaux proposés ci-après la colle universelle sans dissolvant convient le mieux.
L’enseignant(e) doit donner des instructions pour le bon usage de la colle :
d’abord induire les deux éléments à coller d’une mince couche égale
ensuite laisser sécher (les colles solubles à l’eau mettent plus de temps à sécher)
induire encore une fois la colle sur un côté
assembler correctement et presser pendant quelques secondes.
Les enfants du degré inférieur ont tendance à mettre trop de colle et à assembler tout de suite les
parties ; ceci empêche la colle de sécher.
Les élèves doivent travailler en petits groupes pour s’entr’aider dans les tâches plus délicates.
Il est avantageux de disposer d’une collection de matériel ordinaire dans une classe, sinon
l’enseignant(e) et les élèves doivent rassembler ce matériel peu à peu au cours des semaines
précédentes.
Une manivelle peut facilement être produite en pliant un morceau de fil de fer.
L’enseignant(e) encourage les élèves à s’inspirer auprès de leurs camarades s’ils n’ont pas d’idées.
A la fin, les différents modèles doivent être comparés et commentés.
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2.3.
Sources
Pour fixer le résultat, chaque élève doit esquisser un modèle dans son cahier. Les concepts
nécessaires (le cadre, l’axe, le coussinet, le treuil, la corde, la manivelle, la roue à manivelle…) sont
élaborés ensemble et inscrits au tableau.
Pour permettre le transfert, les élèves apportent à la fin de l’unité des appareils et des machines
simples qu’ils connaissent et dont ils examinent le treuil et la manivelle.
Schietzel C. : Lernbereich Technik ; Westermann Verlag, Braunschweig
Die Werkstunde ; Als-Verlag, Frankfurt
Klopsch G. : Elementare Technik - Elementares Werken ; Hagemann Verlag, Düsseldorf
Ullrich H./D. Klante : Technik im Unterricht der Primarstufe ; Otto-Maier-Verlag, Ravensburg
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3.1.
Nous examinons
un dispositif
de levage
3. Déroulement possible de l’enseignement
Aperçu
Durée au total : ………………………………………………………………………... 3 - 4 heures
3.1. Nous examinons un dispositif de levage …….……………………………… 2 x 30 minutes
3.2. Nous construisons un dispositif de levage …………………...…….……..….... 1 à 2 heures
3.3. Nous examinons des appareils/machines simples avec une manivelle …………….. 1 heure
Développement possible :
3.4. Des dispositifs de levage nous facilitent le travail …………………………………... 1 heure
On peut facilement construire un treuil à l’aide d’un carton (boîte à souliers) et d’une broche ou d’un
fil de fer sans que les enfants reconnaissent tout de suite le fonctionnement (méthode de la boîte
noire).
On fait dépasser le carton au-delà du bord d’une table. En tournant le bout de l’axe on fait monter et
descendre un fil avec un poids.
Les enfants doivent reconnaître le fonctionnement. Ils vont facilement comprendre qu’un axe se
trouve à l’intérieur du carton sur lequel le fil se dévide ou s’enroule.
A carton ouvert (en enlevant le couvercle) il est facile d’observer ce fonctionnement. L’action pénible
qui consiste à tourner l’axe exige une meilleure solution. Peut-être que les enfants mentionnent dès à
présent la manivelle.
Reconnaître le principe élémentaire :
Un treuil consiste en un axe qui est fixé des deux côtés à un cadre (ou placé dans ce cadre).
Une ficelle est fixée à l’axe qui se dévide ou s’enroule lorsque l’axe est tourné.
Autrefois, l’axe a été mis en mouvement manuellement. On tournait une manivelle (p.ex. au-dessus
d’un puits) ou une roue à manivelle (p.ex. la machine à nettoyer le blé, la machine à couper les
betteraves, le hache-paille).
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3.3.
Nous
construisons
un dispositif
de levage
La plupart des dispositifs de levage actuels (p.ex. le monte-charges, la grue) sont munis d’un moteur
pour faire tourner l’axe.
A l’aide d’un dessin simple les concepts d’axe, de cadre, de manivelle, de treuil, de ficelle … sont
fixés au tableau.
L’un des jours suivants on peut examiner le fonctionnement d’une grue jouet (grue de construction
ou grue de dépannage). Les enfants aiment apporter leurs jouets en classe. Ils constateront que le
principe du treuil (et probablement aussi celui de la manivelle) se trouve dans chaque modèle.
Remarque : L’avantage de la grue consiste dans sa mobilité pour soulever et déposer des poids
n’importe où.
Les enfants dessinent une grue en nommant et en colorant les éléments techniques de base
«le treuil» (axe avec corde, en rouge) et «manivelle» (en bleu).
On répète brièvement où l’on peut trouver des dispositifs de levage avec un treuil. A côté de la grue
de construction et de la grue de dépannage les enfants mentionneront peut-être le monte-charges
(p.ex. lors de la construction d’une maison) ou le puits avec un dispositif de levage (qui n’existe plus
que comme objet de décoration dans les jardins d’agrément. L’ascenseur est également un dispositif
de levage qui fonctionne cependant d’après d’autres principes (contre-poids).
La feuille de travail 1 «dispositifs importants de levage» reproduit en photo la grue de construction,
la grue de dépannage, le monte-charge et le puits. Les enfants regardent bien les photos et
reconnaissent pour chaque dispositif le principe du treuil (axe rotatoire avec corde). Le puits permet
aussi de voir la manivelle.
Plus tard les photos sont munies d’un bref texte (nom de la machine ; à quoi sert-elle ?). Ensuite il
faut les découper et les coller sur une feuille.
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Les enfants cherchent
des solutions en
partenariat. Ils travaillent
aussi librement que
possible.
C’est maintenant au tour des enfants de construire un dispositif de levage en modèle.
On répète ensemble les parties nécessaires :
le cadre
le coussinet
l’axe
la corde, la ficelle
la manivelle, la roue à manivelle
le poids
L’enseignant(e) doit laisser libre-cours à l’imagination des enfants et n’intervenir que pour aider si des
difficultés se présentent dans le traitement du matériel (p.ex. la construction d’un cadre ou de la roue
à manivelle ; éviter que la grue ne verse en ajoutant un contre-poids…) ou dans le maniement des
outils. Des «fautes» ne devraient pas être corrigées tout de suite, mais être reconnues et corrigées
par les enfants eux-mêmes.
Le matériel nécessaire doit être disponible en quantité suffisante. On peut utiliser aussi bien un jeu de
construction que du matériel ordinaire (voir 2.2. réflexions didactiques et méthodologiques).
Un puits se laisse facilement construire avec du matériel ordinaire (rouleau en carton, bandes de
carton dur, fil de fer plié comme manivelle).
Une grue en état de fonctionner par contre se laisse plus facilement construire avec un jeu de
construction technique.
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On remarque la
concentration lors du
travail et la satisfaction
à la vue du résultat.

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On peut construire des dispositifs
qui révèlent clairement les principes
techniques élémentaires à l’aide de
matériel ordinaire et de jeux de
construction techniques.
A la fin, l’enseignant(e) commente les
modèles terminés avec les enfants et leur
demande de montrer encore une fois les
«parties» importantes et de les désigner.
Les modèles sont comparés entre eux ;
on souligne les différences de construction
en dégageant éventuellement les
avantages et les désavantages.
La «meilleure» solution peut être imitée
par tous les enfants.

3.3.
Nous examinons
des appareils/
machines simples
avec manivelle
3.4.
Développement
possible :
les dispositifs de
levage nous
facilitent
le travail
L’enseignant(e) demande aux enfants de chercher chez eux des machines ou des appareils avec
manivelle et évt. d’apporter un (petit) appareil en classe.
Les appareils sont essayés en commun et commentés. L’enseignant(e) aura évidemment apporté
également quelques appareils.
Il convient de nommer :
La passe-vite, la râpe à fromage, le taille-crayon (fixé à la table), la «Klibber», le sèche-salade,
l’enrouleur de câble, l’enrouleur de tuyau, le moulinet simple (canne à pêche), le tricycle, le go-cart,
la bicyclette, le cric en ciseaux, la manivelle pour faire démarrer les anciennes voitures, etc.
Beaucoup d’appareils ménagers et d’outils qui sont munis aujourd’hui d’un moteur, existaient
autrefois avec une manivelle (hachoir à viande, machine à couper les légumes, perceuse, machine à
couper le pain, etc.). Certains de ces appareils existent encore aujourd’hui avec manivelle.
Peut-être l’enseignant(e) peut-il/elle apporter en classe un appareil à manivelle et le même à moteur
(p.ex. une perceuse) et examiner les similitudes et les ressemblances.
La feuille de travail 2 «Appareils divers avec manivelle» permet de fixer ces observations. La manivelle
est p.ex. peinte en bleu et l’axe (si on peut le voir) en rouge.
Enoncé du problème :
Un seau à 10 litres rempli de sable ou de terre humide doit être soulevé par les enfants.
Au lieu du sable ou de la terre on peut prendre des pierres ou des livres ; un sac avec des livres fait
aussi l’affaire.
L’enseignant(e) demande à quelques élèves de soulever le seau rempli. Ils y réussissent avec grand
peine ou pas du tout. A deux, cela va un peu mieux.
«Que pouvons-nous faire pour faciliter le travail ?»
Les enfants font quelques propositions :
p.ex. soulever le seau avec une corde
passer un bâton par l’anse du seau et porter à deux etc.
On donne un balai et une mince corde (ou une grosse ficelle) aux enfants. La brosse doit être bien
fixée au manche.
«Peut-être que vous pourrez vous débrouiller avec cela. Pensez à la grue, au monte-charges, au puits !»
Les enfants construisent un treuil primitif.
«De quoi avons-nous besoin ?» (voir en 3.2. «Nous construisons un dispositif de levage»)
un cadre (p.ex. deux bancs)
un axe (le manche à balai)
une corde (une corde mince ou une grosse ficelle)
un poids (le seau rempli de sable)
la manivelle (la brosse).
Le balai est placé sur deux bancs placés l’un de l’autre à une distance de 50 cm de telle sorte que la
brosse dépasse un des bancs. Le seau est placé entre les deux bancs. La corde est fixée au manche et
au seau. Pour empêcher que la corde ne glisse sur le manche, il faut l’enrouler plusieurs fois. Le bout
est ainsi bloqué. En tournant la brosse (manivelle) on soulève le seau. Il faut faire attention que la
brosse ne se déplace sur les bancs puisqu’elle n’est pas cadrée. Les enfants peuvent si nécessaire la
maintenir.
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est parfois d’une simplicité
extraordinaire d’apprendre
la pensée technique à l’aide
de matériaux ordinaires.
Il convient d’amener sans cesse les enfants à trouver eux-mêmes des solutions et de ne donner une
solution qu’au moment où ils n’y arrivent plus. Il importe que tous les enfants participent (enseignement
motivant).
Si possible tous les élèves doivent pouvoir constater combien facilement on arrive à soulever un poids
avec un treuil. On peut même le faire d’une seule main.
L’enseignant(e) demande à un élève de soulever le poids en tournant uniquement le manche.
L’enfant constatera que c’est impossible. Pour autant que le concept du «levier» est resté présent
depuis la 1re année d’études, on peut procéder à un bref rappel, sinon l’enseignant(e) peut expliquer
le fonctionnement du levier à partir des expériences propres des enfants :
On essaie d’ouvrir une porte en tournant seulement l’axe de la poignée ; on soulève le couvercle d’un
pot (p.ex. un pot à couleur) avec un tourne-vis.
Les deux exemples peuvent facilement être reproduits en classe.
La brosse est le levier utilisé dans l’exemple décrit.
Ensuite les enfants observent encore une fois la photo avec le puits avace son treuil et sa manivelle.
Ils doivent comprendre que c’est le même dispositif que celui utilisé en classe. La seule différence est
constituée par la manivelle qui permet de tourner rapidement le treuil, mais qui n’est rien d’autre
qu’un levier relié à l’axe.
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