Activité didactique projétée par Anastasiia Plotnikova et Biagio Ambrosio pendant le cours de doctorat “Designing innovative public engagement activities” à l’Université de Padoue en 2022.
Quelles sont les forces qui s’opposent à la gravité? Force d’Archimède, force de frottement, force magnétique et réaction contraignante.
Éprouve le défi entre la gravité et chacune de ces forces pour découvrir, chaque fois, qui
en sort vainqueur.
Matériaux
- plan incliné peint à moitié
- récipients d’eau
- boîtes à chaussures
- aimants
- cubes en bois
- clous
- fil de cuivre
- film d’aluminium
- colle
- feuilles de papier
Pour le table de tinkering:
- plan incliné peint à moitié
- recipients d’eau
- boîtes à chaussures
- aimants
- fil de cuivre
- feuilles de papier
- cure-dents longs pour brochettes
Note: la moitié des cubes en bois sont remplis avec 12 clous (2 clous pour chaque face du cube), recouverts d’un fil de cuivre et puis d’une couche d’aluminium. Cela permet de réaliser des cubes ‘métalliques’ à peu de frais. Les cubes métalliques mentionnés dans le texte ont été construits demla manière suivante.
Description de l’activité
Pendant cette activité, les participants feront l’expérience du défi entre la gravité et les autres forces. L’activité est divisée en quatre ‘étapes’: dans chacune d’elles la gravitè défiera les forces suivantes:
- Force d’Archimède
- Frottement
- Force magnétique
- Force de réaction
À la fin de l’expérience, preparez un table de tinkering.
Préparation:
1. Force d’Archimède: mettez les récipients sur la tale, assez éloignés entre eux et des bordes; puis, remplissez les récipients avec de l’eau jusqu’ à un niveau d’environ 4 cm du haut du récipient.
2. Frottement: placez le plan incliné sur la table et fixez-le par quelque chose de stable (les roches sont très bien, mais si vous n’avez pas choses comme ça, essayez de maintenir la base du plan ferme avec les mains). Au debut le plan doit avoir une inclinaison baisse (Figure 1).
Figure 1
3. Force magnétique: retirez les couvercles des boîtes à chaussures et placez-les sur la table, en utilisant les faces plus petites comme base; puis, fixez les aimants à l’intérieur de la face supérieure, en utilisant de la colle (Figure 2).
4. Force de réaction: placez deux boîtes à chaussures (avec leur couvercle) sur la table, en utilisant comme base les faces les plus grandes. Gardez a portée de main même des feuilles de papier.
Figure 2
Table pour le tinkering: placez sur cette table le matériel indiqué dans la section ‘Pour la table di tinkering’.
Activité Preliminaire:
Chaque participant reçoit un cube en bois et un cube en métal – différent des quatre qui présidant les différentes étapes (Figure 3).
L’enseignant peut presenter l’activité, en explicant aux participants l’histoire du défi entre la gravité et les autres forces.
Figure 3
Déroulement:
Force d’Archimède
L’enseignant/e présente brièvement la force d’Archimède, puis demande aux participants de placer les cubes en bois et en métal dans l’eau (Figure 4) pour montrer comment la force d’Archimède agit avec différentes matières.
Figure 4
Frottement:
L’enseignant/e présente brièvement le frottement, puis demande aux participants de chercher à laisser tomber leur cubes le long du plan incliné, en utilisant seulement la partie non peinte (Figure 5): les cubes en métal et les cubes en bois tombent avec différente vitesse, parce que le frottement dépend des matèriaux.
Figure 5
Puis l’enseignant/e demandes à deux participants de placer leur cubes en bois (ou en métal, l’important est qu’ils soient du même matérial) sur les deux parties du plan (Figure 6), un cube sur la partie peinte et un sur celle non peinte, au même hauteur, et laisser les tomber: même si les cubes ont le même poids, le cube qui tombe le long de la partie peinte du plan est plus lent, parce que la peinture augmente le frottement du plan et donc la gravité a du mal.
Figure 6
Force magnetique:
L’enseignant/e présente brièvement la force magnetique, puis demandez aux participants de placer les cubes contre l’intérieur de la face supérieure de la boîte (où les aimants sont collés) et puis laisser-les tomber (Figure 7). Nous pouvons voir que la force magnetique agit seulement avec les métaux.
Figure 7
Force de réaction:
L’enseignant /e présente brièvement la force de réaction, puis places le couvercle d’une des boîtes comme un pont entre les deux et demande aux participants de mettre un cube dessus (Figure 8). Les cubes ne tombent pas. Après le couvercle est remplacé par une feuille de papier. Les cubes tombent (Figure 9). À ce point on peut demander aux participants comment rendre le papier plus résistant. Ils peuvent découvrir que, en pliant le papier, il est possible de rendre la feuille suffisamment résistante pour ne pas faire tomber les cubes (Figure 10).
Figure 8
Figure 9
Figure 10
AllaEnfin, tous les participanti atteignent la table du tinkering. Ici les participants peuvent s’amuser avec les cubes, le papier, les aimants et tous les objets disponibles, en mettant en pratique ce qu’ils ont appris.
Explication du processus physique
La gravité est la force grâce à laquelle tous les objets lourds dans l’Univers s’attirent entre eux. La lumière n’a pas de masse, mais subit également les effets de la gravité, qui est capable de courber sa trajectoire. Cette force explique pourquoi les planètes orbitent autour des étoiles et aussi pourquoi les objets tombent ici sur la Terre: comme Isaac Newton a découvert, la force qui attire la Terre vers le Soleil est la même qui attire une pomme vers le sol, et cette force c’est la gravité.
Mais certaines autres forces peuvent contrer l’action de la gravité, en agissant de manière opposée:
La force d’Archimède ressort chaque fois qu’un corps est immergé dans un matériau fluide (pas seulement dans l’eau, mais aussi dans l’air!). Cette force s’oppose à la gravité, et sa valeur est donnée par le poids du volume de fluide deplacé par le corps. Donc le point crucial est la densité: si la densité du corps est plus grande que celle du fluide, la gravité est plus forte que la force d’Archimède, et le corps s’enfonce, tandis que dans le cas contraire, la force d’Archimède est plus intense, et le corps flotte.
Paramètre clé pour cette force: densité.
Le frottement est une force qui sort du contacte des corps, et dépend des matériaux qui le composent.
Les matériaux lisses génèrent moins de frottement, tandis que les matériaux bruts génèrent moins de frottement. Même la forme des corps a un role: le frottement se comporte différement dans les corps carrés (attrito de glissement) et dans les corps arrondis (frottement de roulement).
Même les objets qui tombent ressentent le frottement, qui est géneré par le contact avec l’air.
Dans cette expérience, nous avons à faire avec le frottement entre solides.
Le frottement entre un corps et une surface est proportionnel à la masse du corps, mais est aussi lié au matériau ( du corps et de la surface) par une quantité dite coefficient de frottement: plus cette quantité est grande, plus la friction sera forte.
Dans le cas du plan incliné, la force de friction diminue avec l’augmentation de l’inclination du plan.
Les paramètres clé pour cette force: masse du corps, matériaux, inclinaison du plan.
La force magnetique agit sur les matériaux avec les propriétés magnetiques comme le fer, cobalt, nickel, etc., mais aussi certains alliages de magnésium, chrome et uranium. Tous ces matériaux montrent ces propriétés lorsqu’ils sont asez près à une source de force magnetique, comme un aimant. Les objets composés par matériaux de ce genre sont ensuite attirés par la source.
Mais, dans le cas de ses sources, la situation est plus complexe. Les aimants, en fait, ont deux pôles: les pôles opposés s’attirent, tandis que les poles égals se repoussent.
Contrairement aux autres forces que nous avons vu, la force magnetique agit aussi à distance, mais sa force diminue avec l’augmentation de la même.
Les paramètres clés pour cette force, ce sont les matériaux et la distance.
La force de réaction sorts chaque fois qu’un corps essaie de résister à une déformation. Le corps résiste tant que la force qui le déforme dépasse sa limite de rupture. Lorq’ un objet est placé sur une surface, il tend à tomber à cause de la gravité, et donc à deformer la surface. Donc la surfce développe une force de réaction qui s’oppose à la gravité, tant qu’elle est assez intense. Mais si le poids du corps dépasse la limite de rupture de la surface, cette dernière se cassera. Dans certains cas, on peut améliorer la résistance d’une surface en modifiant sa géometrie: replier une feuille sur elle même est un moyen simple d’augmenter sa résistance.
Les paramètres clés pour cette force, ce sont la limite de rupture et la géometrie du matériau.
