Il s'agit de réaliser des poutres en treillis de spaghettis afin d'en expérimenter la résistance mécanique en les chargeant par un panier de billes.
La poutre est encastrée à une extrémité et chargée à l'autre par un panier de billes.
Difficulté
Facile
Durée
1 heure(s)
Disciplines scientifiques
Mécanique, Physique
Introduction
Cette activité de construction a été expérimentée par un groupe de collégiens qui s'étaient vraiment pris au jeu de fabriquer la poutre la plus résistante.
Voici le livret succinct de l'activité: https://www.wikidebrouillard.org/images/5/53/Poutres_spaghettis.pdf
En tout cas, après ces expérimentations, ils ont compris pourquoi les flèches des grues sont toujours orientées de la même façon....
Étape 1 - Revue du matériel
La photo 1 présente le banc de test pour tester la tenue de la poutre à la charge.
La photo 2 montre le panier de billes tel qu'il a été chargé juste au moment de la rupture. Il suffit de peser le panier pour connaître précisément la charge qui a provoqué la rupture. C'est un critère objectif qui permet de départager les différents participants au concours.
La photo 3 montre le matériel nécessaire pour réaliser une poutre:
- les deux plaques aux extémités
- un certain nombre de spaghettis (n°3 de Panzani, par exemple)
- un pistocolle
La photo 4 montre le début de la construction de la poutre. Un quadrillage tracé sur les deux plaques d'extrémité peut aider pour obtenir une construction régulière et contrôlée.
De même la photo 5 suggère de tracer des repères sur les spaghettis afin de réaliser des cellules de taille contrôlée.
Étape 2 - Construction de la poutre
La construction de la poutre demande beaucoup de délicatesse, surtout au début, lors de la fixation des premiers spaghettis.... car un spaghetti solitaire est très fragile ! On peut d'ailleurs s'aider de petits outils de maintien que chacun se développera si besoin...
Ce n'est que lorsque l'on a commencé à poser les croisillons de cellules que commence à ressentir dans sa main la raideur de la construction. C'est une sensation très rassurante !
Sur la photo 1, on est encore à un stade fragile. Les 4 cellules n'ont pas encore de croisillon.... Sur la photo 2, la présence des croisillons a apporté une sensation de raideur et de solidité.
Profitons également de voir sur ces photos que
- les points de colle entre spaghettis sont petits
- les points de colle pour l'accroche sur les deux plaques de bois sont plus gros
Si on organise un concours, il faut fixer des règles équitables:
- fixer la taille de la section de la poutre
- donner le même nombre de spaghettis à tous
- interdire de renforcer les spaghettis avec de la colle
Étape 3 - Le spaghetti en traction et en compression
Pour nos activités, on considère qu'un spaghetti peut recevoir des efforts de traction et de compression (photo 1).
La traction, c'est quand on tire dessus. Un spaghetti résiste bien aux efforts de traction. Il est facile d'expérimenter avec une bouteille d'eau que l'on remplit jusqu'à ce que le spaghetti casse en traction . Il suffit de peser ensuite la charge qui a provoqué le rupture. Notez l'utilisation de deux bouchons qui évitent de casser le spaghetti par cisaillement, bien avant qu'il ne soit cassé par la traction (photo 2).
La compression, c'est quand on applique deux forces aux extrémités, dans l'alignement du spaghetti. Le spaghetti résiste très mal à la compression. On voit très vite apparaître le flambage, puis la rupture. Il est facile de réaliser un banc de test en compression avec une petite balance de cuisine précise au gramme (photo 3). On en tire facilement la loi de rupture en fonction de la longueur.... Très utile pour optimiser la taille des cellules....
Bien que les spaghettis ne soient pas des éléments de construction mécanique, leurs propriétés mécaniques sont assez homogènes....
Étape 4 - Que faut-il faire pour gagner ?
Expérimenter, Observer, Raisonner
Sur la photo 1 prise juste avant la rupture de la poutre, on voit bien les spaghettis qui travaillent en traction et ceux qui travaillent en compression...
- Où sont-ils situés ?
- Comment varie la résistance au flambage en fonction de la longueur ?
- Faut-il faire varier la longueur des cellules en fonction de leur position ?
Sur la photo 2 par exemple, on a fait varier la taille et la répartition des cellules.
Les paramètres qui influencent la rupture:
- la section de la poutre.
- la longueur des cellules
- l'orientation de la section ( faut-il 2 poutres en bas ou en haut ?)
Dernière modification 19/05/2022 par user:Occitan.
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