Fiche de révision : Matériaux, balances et objets programmables

📋 Plan du Cours

1. Fonctions des objets techniques
2. Transmission et transformation des mouvements
3. Engrenages et rapport de transmission
4. Forces, poids et moments
5. Leviers et balances
6. Qualités et gammes des instruments
7. Familles de matériaux
8. Résistance et élasticité des matériaux
9. Procédés de fabrication du verre
10. ENT et stockage des données
11. Algorithmes et programmation
12. Objets programmables et robots
13. Enseigner les objets et mécanismes
14. Enseigner les matériaux et le numérique

📖 1. Fonctions des objets techniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction d’usage : La réponse apportée par un objet à un besoin particulier, indépendamment des goûts de chacun.
• Fonctions techniques : Les solutions mises en œuvre pour assurer la fonction d’usage d’un objet.
• Fonction d’estime : La fonction d’estime correspond au fait qu’un objet plaise par son style, sa couleur, sa forme ou sa décoration, et peut être appréciée différemment selon les personnes.

📝 Points essentiels

• Les moyens de transport assurent notamment les fonctions techniques suivantes :

  • propulsion
  • changement de direction
  • freinage

• Lorsque le besoin et la fonction d’usage restent semblables, les solutions techniques apportées à un objet évoluent.

💡 Astuce mémo

Usage = besoin ; estime = goût ; technique = solution

📖 2. Transmission et transformation des mouvements

🔑 Notions clés & Définitions

• Cardan : Dispositif mécanique qui transmet une rotation angulaire entre deux arbres dont les axes géométriques se rejoignent en un même point et permet de modifier la direction de l’axe de sortie.

★ À maîtriser

📌 Il y a transmission de mouvement lorsque le mouvement de sortie d’une chaîne cinématique est de même nature que son mouvement d’entrée, et transformation lorsque ces mouvements sont de natures différentes.

• Le système bielle-manivelle transforme un mouvement de rotation continu en mouvement alternatif de translation du piston.

Compléments

• Dans une transmission par roues à friction, deux roues pressées l’une contre l’autre transmettent une rotation par frottement ; ce mécanisme est silencieux, réversible et ne tolère pas le graissage, qui favoriserait le glissement.

• Dans un engrenage, les dents de roues dentées évitent le patinage, mais le mécanisme nécessite un graissage et supporte mal les impuretés.

• Une transmission par poulie et courroie transmet une rotation entre des roues sans contact, mais la courroie peut glisser ; une courroie crantée limite ce problème.

• Une transmission par chaîne relie à distance deux roues dentées, transmet une rotation sans inversion du sens et évite le glissement d’une courroie.

• Une vis sans fin associée à une roue dentée transmet une rotation, peut produire une grande démultiplication et constitue un mécanisme irréversible où seule la vis est utilisée comme entrée.

• Le système pignon-crémaillère transforme une rotation en translation ou une translation en rotation, et son mouvement est réversible.

• Le mécanisme vis-écrou transforme généralement une rotation en translation et n’est pas réversible, car une poussée sur l’écrou n’entraîne pas la rotation de la vis, sauf cas très particuliers.

💡 Astuce mémo

Même nature du mouvement : transmission ; nature différente : transformation

📖 3. Engrenages et rapport de transmission

🔑 Notions clés & Définitions

• Engrenage : Mécanisme composé d’au moins deux roues dentées mobiles autour d’axes de position relative invariable, dont les dents successivement en contact transmettent le mouvement sans glissement.
• Fréquence de rotation : Nombre de tours effectués par un objet pendant une unité de temps, généralement la seconde.

★ À maîtriser

• Deux roues dentées qui s’engrènent tournent en sens inverse ; avec trois roues, la dernière tourne dans le même sens que la première, sauf cas particulier d’une petite roue dentée à l’intérieur d’une grande.

📐 Formule - Le rapport de transmission des vitesses est $K = \frac{N_s}{N_e}$, où $N_s$ est la fréquence de sortie et $N_e$ la fréquence d’entrée.

📌 Un système est multiplicateur de vitesse si $K > 1$, réducteur si $K < 1$ et conserve la fréquence de rotation si $K = 1$.

Compléments

• Dans un engrenage, la roue qui possède le plus petit nombre de dents est appelée pignon, et une combinaison d’engrenages est appelée train d’engrenages.

📐 Formule - Pour deux roues dentées, le rapport de transmission vérifie $K = \frac{Z_1}{Z_2} = \frac{D_1}{D_2}$, où Z désigne le nombre de dents et D le diamètre des roues.

📖 4. Forces, poids et moments

🔑 Notions clés & Définitions

• Force : Action exercée sur un objet pour déclencher, maintenir ou modifier son mouvement.
• Poids : Force d’attraction verticale exercée par la Terre sur un objet et exprimée en newtons (N).
• Masse : Grandeur qui caractérise la quantité de matière d’un objet et s’exprime en kilogrammes (kg).

★ À maîtriser

• Une force est caractérisée par :
  • sa direction
  • son sens
  • son intensité exprimée en newtons
  • son point d’application

📐 Formule - Le poids et la masse sont liés par $P = m \times g$, où g dépend de la masse de la Terre et de la distance de l’objet au centre de la Terre.

📐 Formule - Le moment d’une force par rapport à un axe de rotation est $M(F) = F \cdot d$, où F est l’intensité de la force et d sa distance à l’axe.

📌 Pour qu’un solide mobile autour d’un axe soit en équilibre, la somme des moments qui tendent à le faire tourner dans un sens doit égaler celle des moments qui tendent à le faire tourner dans l’autre sens.

Compléments

• Les actions à distance comprennent notamment :

  • l’attraction magnétique
  • les actions électriques ou électrostatiques
  • la gravitation
  • la pesanteur

• À la surface de la Terre, l’intensité de la pesanteur vaut 9,81 N/kg et celle de la Lune vaut 1,67 N/kg.

📖 5. Leviers et balances

🔑 Notions clés & Définitions

• Levier : Barre rigide qui pivote autour d’un axe appelé pivot ou point d’appui et qui amplifie ou réduit l’effet de la force appliquée sans modifier cette force.
• Balance : Instrument qui mesure des masses en comparant ou en mesurant l’effet du poids d’un objet.

★ À maîtriser

📌 Un levier inter-appui place le point d’appui entre les forces motrice et résistante, un levier inter-résistant place la force résistante entre le point d’appui et l’effort, et un levier inter-effort place la force motrice entre le point d’appui et la résistance.

• Le levier inter-résistant possède toujours un gain mécanique supérieur à 1, tandis que le levier inter-effort possède toujours un gain mécanique inférieur à 1 et permet de multiplier un déplacement plutôt qu’une force.

• Un dynamomètre suspend l’objet à peser à un crochet et mesure son poids grâce à l’allongement proportionnel d’un ressort.

📌 Un dynamomètre peut être gradué directement en poids, exprimé comme une force en newtons, ou étalonné en masses, auquel cas l’allongement du ressort indique la masse de l’objet.

Compléments

📐 Formule - Pour un levier en équilibre, les moments des forces se compensent, ce qui s’écrit notamment $F \times d_1 = P \times d_2$.

• Dans une balance de Roberval, le fléau est un levier à bras égaux et la masse de l’objet pesé est égale à la somme des masses marquées placées sur l’autre plateau lorsque l’équilibre horizontal est atteint.

• Dans une balance romaine, le fléau à bras inégaux est équilibré par le contrepoids, dont la position sur une barre graduée étalonnée indique la masse de l’objet suspendu.

📌 Une balance à levier exploite la rotation du fléau autour d’un axe, tandis qu’une balance à déformation élastique mesure la déformation d’un ressort étiré ou comprimé.

• Les balances peuvent mesurer une masse par étalonnage avec un objet de masse connue ou par comparaison directe, car le rapport poids/masse est constant en un lieu donné.

• Dans une balance de ménage, l’objet à peser est posé sur l’unique plateau et un ressort ou une lame élastique se déforme selon son poids ; une aiguille indique sa masse sur une échelle graduée par étalonnage.

• Dans un pèse-personne, la personne se tient debout sur l’unique plateau et une lame élastique se déforme selon son poids ; l’affichage électronique, numérique ou à aiguille indique sa masse grâce à l’étalonnage de la balance.

💡 Astuce mémo

Inter-appui : pivot entre les forces ; inter-résistant : charge entre pivot et effort ; inter-effort : effort entre pivot et charge

📖 6. Qualités et gammes des instruments

🔑 Notions clés & Définitions

• Fidélité : Qualité d’un instrument de mesure dont les mesures répétées dans les mêmes conditions donnent le même résultat.
• Justesse : La justesse caractérise la rigueur de la mesure ; un instrument étalonné est juste si son étalonnage est rigoureux.
• Sensibilité : La sensibilité d’un instrument caractérise le rapport entre la variation de son indication et la variation correspondante de la grandeur mesurée.
• Gamme de mesure : Propriété d’un instrument directement liée à son usage.

📝 Points essentiels

• Les gammes et précisions indiquées sont : trébuchet, de 0 à 1 kg et 1 dg ; balance de Roberval, de 0 à 10 kg et 2 dg ; balance de ménage, de 0 à 3 kg et 10 g ; petit dynamomètre, de 0 à 500 g et 10 g ; pèse-personne, de 10 à 130 kg et 100 g ; balance romaine, de 0 à 10 kg et 50 ou 100 g.

📖 7. Familles de matériaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Matériau composite : Un matériau composite est obtenu en associant plusieurs matériaux, comme le béton composé de gravier, de ciment et d’eau, ou le béton armé renforcé de treillis ou de barres d’acier.

★ À maîtriser

📌 Les matériaux minéraux proviennent de minéraux prélevés dans l’environnement ; ils comprennent notamment l’argile, les roches magmatiques comme le granite et le basalte, les roches sédimentaires comme le calcaire et le grès et les roches métamorphiques comme l’ardoise et le marbre.

• Les propriétés citées des matériaux métalliques sont :
  • la conductibilité thermique et électrique
  • l’opacité à la lumière visible
  • la dureté
  • la rigidité
  • la plasticité

📌 Les matériaux organiques d’origine naturelle comprennent notamment le coton, la laine et le bois, tandis que les matériaux organiques d’origine synthétique comprennent des polymères constitués de chaînes carbonées.

Compléments

• L’acier est un mélange de fer et de carbone utilisé notamment pour les structures, les câbles, les rails et la construction automobile, navale et aéronavale.

• Les polymères peuvent être constitués de fibres naturelles comme la cellulose des fibres végétales, le collagène du cuir et les caoutchoucs, ou de matières plastiques ; ils sont faciles à mettre en forme et d’excellents isolants thermiques et électriques.

📖 8. Résistance et élasticité des matériaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Élasticité : Capacité d’un matériau à reprendre sa forme initiale lorsque la contrainte exercée disparaît.

★ À maîtriser

• Les efforts étudiés en résistance des matériaux sont :
  • la compression, qui écrase ou raccourcit
  • la traction, qui étire ou allonge
  • la flexion, qui fait fléchir

Compléments

• Les essais de résistance des matériaux sont réalisés en laboratoire et peuvent être poursuivis jusqu’à la rupture du matériau.

• L’homogénéité du matériau et la température influent fortement sur les résultats des essais de résistance.

• La recherche de matériaux souples supportant de grandes déformations élastiques à différentes températures, résistant aux chocs ou transparents a contribué au développement des matériaux composites, notamment des polymères.

📖 9. Procédés de fabrication du verre

★ À maîtriser

• Pour fabriquer une pâte vitreuse, on ajoute à la silice des fondants comme la soude, la potasse ou la chaux, puis on porte le mélange à 1 500 °C ; la pâte peut ensuite être soufflée ou coulée dans un moule.

• Le verre peut être refondu une infinité de fois ; le calcin, constitué de verre récupéré et lavé, reçoit un ajout de 20 % de silice et fond à une température inférieure à celle de la silice.

Compléments

• La silice, principal composant du sable, ne fond qu’à plus de 1 700 °C.

• La production de ciment représente 5 % des émissions de gaz à effet de serre.

💡 Astuce mémo

Silice et fondants → pâte vitreuse → mise en forme → refroidissement rapide ou recyclage.

📖 10. ENT et stockage des données

🔑 Notions clés & Définitions

• Espace numérique de travail : Un espace numérique de travail (ENT) est un ensemble en ligne de services et d’informations numériques réservés à une communauté éducative et accessibles à ses membres.

★ À maîtriser

• L’ENT propose des services de bureau virtuel pour la vie scolaire, de cartable en ligne pour les tâches et ressources de l’élève, et de plateforme de travail collaboratif pour des groupes d’élèves ou d’enseignants.

📌 La mémoire vive sert au traitement des données par le microprocesseur et perd son contenu lorsque l’ordinateur est hors tension, tandis que le stockage de masse conserve de grandes quantités de données à long terme.

• L’octet, symbolisé par o minuscule, est un regroupement de 8 bits.

Compléments

• Les régions mettent progressivement en place les ENT dans les lycées, les départements dans les collèges et les communes dans les écoles.

• La mise en place d’un ENT soulève des questions concernant :

  • l’interopérabilité des systèmes
  • l’investissement de départ
  • la maintenance
  • l’administration des services
  • la formation des personnels

• Les préfixes kilo, méga, giga, téra, péta, exa, zetta et yotta représentent respectivement des puissances de 10 d’exposants 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 et 24 ; les préfixes binaires kibi, mébi, gibi, tébi, pébi, exbi, zébi et yobi représentent respectivement des puissances de 2 d’exposants 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 et 80.

📖 11. Algorithmes et programmation

🔑 Notions clés & Définitions

• Algorithme : Processus de résolution de problème ou de prise de décision composé d’un nombre déterminé d’opérations organisées en étapes successives.
• Algorithmique : Conception d’algorithmes.

★ À maîtriser

📌 Dans un algorithme, les conditions produisent deux sorties possibles, oui ou non, et relèvent des structures de contrôle, tandis que les variables et les constantes relèvent des structures de données.

Compléments

• Les qualités attendues de l’algorithme sont : la terminaison, soit une détermination en quelques étapes, la correction, soit une solution juste, la complétude, soit la possibilité de recommencer avec succès sur un nouvel échantillon

📌 La traduction d’un algorithme en langage informatique est appelée implémentation ou codage informatique.

📖 12. Objets programmables et robots

🔑 Notions clés & Définitions

• Programme informatique : Un programme informatique est un ensemble de lignes de commande rédigées dans un langage de programmation et respectant les algorithmes convenus.
• Logiciel : Ensemble de programmes répondant à une intention précise.
• Robot industriel : Un robot industriel est un système mobile capable d’agir sur plusieurs axes et d’orienter un outil dans un espace de travail contraint ; il comprend souvent un bras articulé couplé à une armoire de commandes contenant l’ordinateur qui asservit le bras et l’outil.
• Domotique : La domotique désigne le contrôle à distance des systèmes d’une maison, comme la surveillance, le chauffage ou les volets, par des objets connectés au Web.

📝 Points essentiels

• La tortue graphique Logo, utilisée à l’école dans les années 1980, peut tracer un carré avec les commandes avancer (AV), tourner à droite (TD) et répéter l’action quatre fois (REPÈTE 4).

• Les machines-outils à commande numérique exécutent des séquences d’instructions programmées pour fabriquer des pièces ; la fabrication assistée par ordinateur (FAO) peut générer ces instructions à partir de pièces conçues en conception assistée par ordinateur (CAO).

• Les robots industriels servent notamment à manipuler des charges lourdes et à réaliser des assemblages de précision, tandis que les robots médicaux sont utilisés en chirurgie et en rééducation et les robots domestiques pour des tâches quotidiennes.

📖 13. Enseigner les objets et mécanismes

★ À maîtriser

• L’étude d’un objet technique peut faire ressortir l’évolution de ses solutions techniques au fil du temps ou comparer les solutions de plusieurs objets qui remplissent une même fonction d’usage.

• La découverte des mécanismes s’appuie sur la manipulation, éventuellement le démontage et le montage, l’observation des effets et l’explication des relations de cause à effet.

📌 Pour soulever facilement une charge avec un levier, le pivot doit être placé près de la charge et le contrepoids le plus loin possible sur le levier afin d’allonger le bras de levier.

Compléments

• L’évolution du transport à vélo peut être étudiée en comparant la draisienne à la bicyclette actuelle, qui comporte notamment un système de propulsion, des pneus, des freins et un éclairage.

📌 À la fin de l’école primaire, aucune schématisation normalisée n’est attendue, mais le passage du dessin au croquis légendé doit rendre visibles et nommer les mécanismes.

• Pour préparer un projet de fabrication, les élèves sont amenés à : tracer le croquis de leur projet, établir la liste des matériaux et des outils nécessaires, réfléchir aux étapes de fabrication

📖 14. Enseigner les matériaux et le numérique

★ À maîtriser

• Le choix des matériaux peut tenir compte : de l’impact environnemental, du lien entre les matériaux et leurs usages, des propriétés des matériaux, notamment leur caractère isolant ou conducteur d’électricité

Compléments

• La caractérisation des matériaux peut porter sur leur couleur, leur aspect, leur forme et leur état de surface par observation et manipulation, sur leur déformation par froissement ou étirement, sur leur dureté par enfoncement ou rayage, et sur leur perméabilité par trempage dans l’eau.

• L’application Folios, développée par l’Onisep, sert les parcours éducatifs et vise le développement des usages numériques, la valorisation des expériences scolaires et extrascolaires et leur conservation à long terme sous forme de classeur numérique.

• En sixième, l’algorithmique en lecture introduit le test d’une information, vrai ou faux, et l’exécution d’actions différentes selon le résultat du test.

• Scratch permet aux élèves de programmer des jeux et des vidéos à l’aide de briques et mobilise la conceptualisation d’un projet, sa traduction algorithmique, les variables et l’interaction entre le programme et son exécution.

📊 Tableaux de synthèse

Types de leviers