Activité didactique projetée par Emanuele Dondoglio pendant le cours de doctorat “Designing innovative public engagement activities” à l’Université de Padoue en 2022.

Matériels

  • tubes d’èponge pour l’isolation de 2 mètres de long coupés en deux (3 par groupe)
  • ciseaux (1 par groupe)
  • ruban adhésif noir (1 par groupe)
  • billes (4 par groupe)
  • conteneur (1 par groupe)
  • mur (pour attacher la piste)

Description de l’activité

Dans cette activité, vous devrez défier les enfants de construire des montagnes russes pour les billes, en les faisant rouler sur les tuyaux, que vous devrez couper en deux sur le long avant de commencer l’activité. Dividez les enfants en groupes de 3-4. Chaque groupe devra construire une piste pour les billes; collez les tuyaux au mur avec le ruban adhésif, en utilisant la force de gravité qui fait rouler la bille vers le bas, pour lui permettre de terminer le parcours. Les tuyaux peuvent (et doivent) être pliés de différentes nanières (voir la Figure en haut à gauche) et reliés entre eux pour former des tubes plus longs (voir Figure en bas à gauche). Entre deux tubes reliés, le scotch doit être bien collé au tube, sinon il freine (ou même arrête) la bille. Chaque groupe dispose de trois tubes (mais le group peut en user moins, ils décident).
Chaque groupe est mis au défi de construire une piste qui répond à deux exigénces: tout d’abord, la bille doit être capable de faire un tour complet (ou loop). Ensuite, à la fin du parcours, la bille doit atterrir dans un contenieur qu’ils doivent savoir où placer. Vous pouvez donner une limite de temps pour terminer le défi, par exemple 15-20 minutes. Enfin, les groupes testent leurs pistes pour voir si les billes peuvent terminer le parcours. Ce pourrait être un bon moment pour leur expliquer un peu de physique qui est derrière, par exemple pourquoi dans leurs parcours la bille dépasse (ou ne dépasse pas) le loop, ou bien pourquoi une bille atterrit plus près ou plus loin quand elle quitte la piste pour atterrir dans le conteneur (voir la section suivante). Ensuite, vous pouvez défier les groupes à construire des montagnes russes encore plus compliquées (par exemple: double loop, collines, curves…): laissez-les travailler de fantaisie. Rester accrochés au mur n’est pas une règle, et peut-être une piste qui part du mur peut se detacher pour faire un virage.

Explication du processus physique

La bille se déplace et parvient à atteindre la fin de la piste, grâce à la poussée de la force de gravité. La force de gravité agit sur tous les corps que nous voyons chaque jour, et dans notre cas, elle est toujours dirigée verticalement vers le sol. Elle aura des effets différents selon la section de piste que la bille traverse. Dans la grande Figura à droîte, trois zones différentes sont mises en evidence:

Chute initiale (zone A) Dans cette zone, la gravité pousse la bille ° rouler vers le bas, donc l’“aide” à se deplacer le long de la piste. Plus cette partie de parcours est longue, plus la vitesse de la bille quand elle finit. C’est parce que dans la descente la gravité accélère la bille, et plus cette partie du parcours est longue, plus la gravité a le temps d’augmenter sa vitesse. Il est également interessant de noter l’influence de l’inclinaison du tuyau: plus il est proche d’une position verticale, la vitesse sera élevée à la fin de la descente initiale, et il faudra moins de temps à la bille pour atteindre la fin de cette zone.

Loop (zone B) Le début de la boucle (loop) est caracterisé par une montée, où la gravité va ralentir la vitesse de la bille, contrairement à la section précédente. Si la bille n’a pas assez de vitesse au début de cette phase, elle ne passera pas la montée. Autour du point le plus haut de la boucle complète, la gravità a tendance à faire détacher la bille du parcours, parce qu’elle se trouve “la tête en bas”, sans un support dessous qui lui évite la chute vers le bas. Pour eviter cela, nous utilisons la force centrifuge, qui agit sur chaque corps qui tourne (comme la bille dans le loop), donnant une poussée opposée à la force de gravité. Plus un corps tourne rapidement, plus la force centrifuge augmente, donc plus sa resistance à tomber. Pour ne pas tomber, la bille doit être assez rapide pour avoir une force centrifuge supérieure à la force de gravité, donc elle a encore besoin d’avoir une vitesse assez haute au debut du loop. À la fin de la boucle, la bille se trouve dans une situation similaire à la zone A, car il traverse une descente, et sera donc à nouveau accélérée.

Fin de piste et atterrissage (zone C) Quand la bille quitte la piste et n’a plus un support sous elle, la gravité l’entraîne verticalement vers le bas. Mais si, à ce moment-là elle a une certaine vitesse, elle ne tombera pas verticalement, mais se déplacera également dans la direction de lancement comme elle tombe vers le bas, décrivant une sorte d’arc (mouvement dit parabolique), dû à la combinaison de force de gravité et poussée donnée à la bille.
À quelle distance la bille atterrit-elle? Plus la bille est rapide, plus elle sera poussée dans la direction où elle est lancée (c’est à dire, vers la droîte pour la piste in Figure), et donc atterrira plus loin. L’inclinaison du dernier tonçon de piste parcourou est également très importante. En fait, la distance sera plus grande si la piste a une petite rampe, c’est à dire une montée finale come dans la Figure, alors qu’elle sera plus petite si la fin de la piste sera en descente. Attention cependant, si la rampe est trop en montée, la bille ira très haut, mais atterrira peu loin. La distance maximale atteinte par la bille lancée depuis la rampe (dite portée) est atteinte ein inclinant la rampe de 45° (c’est à dire à mi-chemin entre le tube placé horizontalement et verticalement).