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
Technique
Durée
1 heure(s)
Disciplines scientifiques
Physique
Sommaire
- 1 Introduction
- 2 Video d'introduction
- 3 Étape 1 - Réunir le matériel
- 4 Étape 2 - préparer le matériel
- 5 Étape 3 - tester le materiel
- 6 Étape 4 - mettre en place l'expérience
- 7 Étape 5 - Réaliser la manipulation
- 8 Étape 6 - Observer le résultat
- 9 Étape 7 - pour aller plus loin
- 10 Comment ça marche ?
- 11 Éléments pédagogiques
- 12 Commentaires
Introduction
Il s'agit d'expérimenter sur les structures en treillis. Ces structures ont des propriétés mécaniques remarquables. Elles ont servi à construire la tour Eiffel, le viaduc du garabit ou la statue de la liberté. Plus couremmment, beaucoup de grues sont fabriquées selon ces principes.
Ce qui est particulièrement démonstratif dans cette expérimentation avec des spaghettis, c'est de partir d'un élément très fragile, de le disposer en treilli et de sentir sous la main l'apparition de propiétés de solidité et de raideur.
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
Mp4
Test poutre.mp4
- Matériel et outils
Bille 
il s'agit d'une sphère généralement en verre (on en trouve de différents matériaux : fer, terre, ...)
Le jeu de bille est un jeu très courant dans les écoles. La façon la plus classique d'y jouer consiste à lancer sa bille sur celle de l'adversaire afin de l'obtenir. La collection et la recherche de billes rares jouent un rôle important dans le jeu. Le jeu de billes est répertorié à l'Inventaire du patrimoine culturel immatériel en France depuis 2012
Stylo 
Le stylo est un instrument, généralement de forme allongée facilitant sa préhension, qui sert à écrire ou à dessiner. Ayant l'avantage de posséder son propre réservoir d'encre, il a progressivement remplacé le porte-plume. Le mot est attesté en Grande-Bretagne dès 1882 pour un instrument à pointe tubulaire mais ne fut utilisé en France au sens d'instrument d'écriture qu'à partir de 1907. Il ne figure cependant pas encore dans le Larousse élémentaire illustré de 1918. On parlait plus couramment à l'époque de « porte-plume réservoir », « plume à réservoir » ou « plume-réservoir », tandis que « stylographe » désignait le stylo à pointe tubulaire.
Gobelet
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Récipient pour boire, plat (sans pied), de forme arrondie.
Pistolet à colle ou pistocolle 
Il s'agit d'un pistolet qui fait fondre des battent de colles
Règle
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Au sens matériel, une règle est un instrument de mesure gradué à arêtes rectilignes servant à tracer des traits droits ou à mesurer des longueurs.
Spaghetti 
Les spaghetti sont un plat de pâtes longues, fines et cylindriques, typique de la cuisine italienne.
Balance 
Une balance est un instrument de mesure qui sert à évaluer des masses par comparaison avec des « poids », dans le langage courant, ou « masses marquées » dont les masses sont connues. Il existe aujourd'hui des balances électroniques.
Bois 
Planche en bois. Image de wikipedia Cleonard1973 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)
Bouteille plastique 
Une bouteille, mais en plastique quoi
Eau 
L'eau est une substance essentielle à la vie. Transparente, sans goût et sans odeur, on la consomme le plus souvent dans son état liquide.
Fil de fer 
Le terme fil de fer désigne rigoureusement, un fil métallique réalisé en fer.
Par extension et abus de langage, tout fil métallique, fil électrique, etc.
Scie 
Une scie est un outil à une lame dentée en acier trempé, destinée à couper des matériaux tels que le bois, la pierre, les métaux... Elle est actionnée par divers moyens tels que la force musculaire, l'électricité ou l'eau.
Perceuse 
Une perceuse ou foreuse est un outil qui sert à percer ou tarauder des trous dans différents matériaux à l'aide de forets. Les perceuses modernes sont l'aboutissement de plusieurs siècles de technologie. Les vilebrequins sont apparus dans les ateliers de menuisiers et chez les charpentiers vers le XVe siècle. Les perceuses manuelle à engrenage datent du XIXe siècle, et c'est vers la fin du XIXe siècle que sont apparues les premières perceuses électriques.
Étape 1 - Réunir le matériel
Pour commencer, rassemble le matériel nécessaire à l'expérience.
- Un paquet de spaghettis (n°3 de panzani)
- un pistolet à colle chaude
- du contreplaqué pour faire les flancs entre lesquels on construit la poutre
- une scie pour découper le bois
- une perceuse
- quelques planches pour fabriquer le support de poutre
- un sac de billes
- un petit panier pour mettre les billes en bout de poutre et éprouver sa résistance
- une balance de ménage pour peser les billes qui ont provoqué la rupture
- une bouteille de jus de fruit de 2 litres pour tester un spaghetti en traction
- quelques bouts de contreplaqué et des rondelles de grande taille pour fabriquer un banc de test de spaghettis en compression
Étape 2 - préparer le matériel
D'abord il faut construire une support pour le poutre en bois.
Après il faut découper deux plaques pour les extrémités de la poutre, dont une s'enfile dans le support. dans l'autre fais un petit trou, dans lequel tu peux accrocher ton panier avec les billes
Avec le gobelet et le fil de fer construis un panier qui peut contenir les billes
Étape 3 - tester le materiel
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 - mettre en place l'expérience
Maintenant tu peux commencer la construction de la poutre. La photo 1 montre le début: un quadrillage tracé sur les deux plaques d'extrémité peut aider pour obtenir une construction régulière et contrôlée.
De même la photo 2 suggère de tracer des repères sur les spaghettis afin de réaliser des cellules de taille contrôlée.
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 3, on est encore à un stade fragile. Les 4 cellules n'ont pas encore de croisillon.... Sur la photo 3, 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
Étape 5 - Réaliser la manipulation
Une fois la poutre terminée, accroche ton panier dans le trou de la plaque au bout de la poutre.
Et maintenant tu peux commencer à remplir, bille après bille, ton panier. Continue jusqu'à ce que ta poutre casse.
Étape 6 - Observer le résultat
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 ?
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.
Étape 7 - pour aller plus loin
Tu peux maintenant 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 spaghettis en bas ou en haut ?)
Comment ça marche ?
Observations : que voit-on ?
Pendant la phase "teste du materiel" on a expérimenté la solidité d'un spaghetti. On soulèvera sans peine un poids de plus d'un kilogramme-poids avec un seul spaghetti. Avec le système triangulé un assemble des spaghettis verticale, horizontale et diagonale ainsi qu'ils forment des triangles. Cela repartie la force du poids sur les différents Spaghettis pour que la déformation de l'ensemble soit modérée.
Applications : dans la vie de tous les jours
On ne regardera plus jamais les grues de la même façon !
Éléments pédagogiques
Pistes pour animer l'expérience
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
Dernière modification 19/05/2022 par user:Occitan.
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