Science on tourne 2017

Par : Laurence Bouchard et Maude Tremblay

Résumé: Science on tourne 2017 Bouchard, L. & M. Tremblay.

2017. Rapport interne. Sciences, Cégep St-Félicien. Par une suite

d’essai erreur, un véhicule a été construit dans le but de ramasser

22 balles de golf. Un mécanisme ingénieux fait tomber les balles

dans un contenant situé près du véhicule.

Abstract: Science on tourne 2017 Bouchard, L. & M. Tremblay.

2017. Internal report. Sciences, Cégep St-Félicien. With a serie of

tests and errors, a vehicle was built for the purpose of picking up 22

golf balls. An ingenious mechanism drops the balls into the box.

Mots-clés : Science on tourne, balles de golf, engin, défi, physique,

mécanique.

1. Introduction

Science on tourne est une compétition intercollégiale qui, chaque année, lance un

défi scientifique et technique que les participants doivent relever en faisant preuve

d’ingéniosité. Cette année, le défi est de construire un engin capable de ramasser

des balles de golf et de les mettre dans un contenant.

2. Cadre théorique et méthodologie

2.1 Théorie

Tout d’abord, il est important de comprendre certains concepts de mécanique tels

que l’énergie cinétique, l’énergie potentielle, l’énergie mécanique et les propriétés

d’un corps en rotation autour d’un axe.

L’énergie cinétique est l’énergie que possède un objet à cause de son mouvement

(Benson 2009). L’énergie potentielle est l’énergie emmagasinée dans un objet.

L’énergie potentielle d’un ressort, ou énergie potentielle élastique, se définit selon

l’étirement ou la compression du ressort. L’énergie mécanique est la somme de

l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle. Selon la loi de la conservation de

l’énergie, l’énergie présente dans un système isolé demeure constante au fil du

temps.

Un corps en rotation autour d’un axe possède une vitesse, une période et une

fréquence. La vitesse angulaire (ω) est le taux de variation de la position angulaire

par rapport au temps. La période (T) est la durée d’un tour complet autour de l’axe.

La fréquence (f) est le nombre de tours par secondes. Voici les équations qui mettent

en relation ces trois concepts :

f = 1/T (éq. 1)

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ω= 2π/T=2πf (éq. 2)

Où f : fréquence (s-1)

T: période (s)

ω : vitesse angulaire (rad/s)

Lors de la rotation d’un véhicule, les roues tournent autour d’un centre de rotation,

c'est-à-dire que leur trajectoire doit être concentrique. L’angle de braquage des

roues doit être tel que la direction de la roue est tangente au cercle dessiné par la

roue autour du centre de rotation. Avec un essieu brisé (fig. 1), l’angle de la roue

intérieure doit être plus grand que celui de la roue extérieure.

Fig. 1 : Angle de braquage des roues d’un véhicule

Le but de cette expérience est de construire un engin capable de ramasser 22 balles

de golf et de les mettre dans un contenant tout en respectant certains critères.

Comme ce projet est réalisé dans le cadre d’un défi, il y a certaines consignes qui

sont imposées.

Voici les principaux règlements à respecter:

-L’objectif est d’accumuler le plus de points possible. Les points se calculent de la

façon suivante : 5 points par balle située dans le contenant et 1 point par balle

ramassée par le véhicule et ne touchant pas au sol. -Le contenant est une boîte de papier de 5 000 feuilles de format 8 ½ x 11 (21,6 cm

x 27,9 cm) sans couvercle.

-Le véhicule doit effectuer ses actions sur l’aire de jeu (fig. 2)

-Les balles de golf sont placées sur des raccords cannelés de plomberie de 9,3 cm de

haut.

-Elles sont situées sur des cercles concentriques de 60 et de 100 cm de rayon. Elles

sont positionnées à un angle de 30°.

-La boîte doit être située dans le cercle de 60 cm de rayon.

-Avant le départ, toutes les parties de l’engin touchant au sol doivent se trouver

dans la zone de départ (fig. 2).

-L’engin doit effectuer ses actions en 60 secondes.

-Toute forme d’énergie peut être utilisée sauf la combustion. L’utilisation de piles au

lithium est interdite.

-L’engin, les outils ainsi que le reste du matériel technique doivent être contenus dans un maximum de deux boîtes de papier de 5 000 feuilles de format 8 ½ x 11

(21,6 x 27,9).

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L’intégralité des règlements et les précisions peuvent être retrouvées dans le

dépliant (voir annexe I)

Fig. 2. Dimensions (cm) de l’aire de jeu

Donc nos hypothèses sont les suivantes:

En alignant les essieux selon les rayons d’un cercle, l’engin tournera selon la

trajectoire de ce cercle.

En frappant les supports à une certaine vitesse, les balles pourront tomber dans le

véhicule.

Si le véhicule va à une certaine vitesse et qu’il arrête brusquement, l’inertie fera

tomber le poids.

Afin d’atteindre le but, on s’est fixé les objectifs suivants : que le véhicule

accomplisse ses actions en 20 secondes, qu’il mette les 22 balles de golf dans la

boîte et qu’il soit le plus écoresponsable possible.

Afin d'atteindre, on a procédé par essai-erreur avec le matériel et les outils à notre

portée. Les résultats sont surprenants.

2.2 Méthodologie et matériel

Matériel :

Le matériel utilisé se retrouve en annexe. (Voir annexe II)

Méthodologie :

Pour ce qui est de la démarche, on a procédé par essai-erreur. Le montage final se

retrouve sur la figure 3. On a construit la base du véhicule en bois. On a aligné les

essieux selon les rayons du cercle composant l’aire de jeu (fig. 4). Pour faire avancer

l’engin, on a fixé un ressort spiral sur l’essieu arrière. De plus, on a attaché un

ressort de traction à une corde, elle-même enroulée à l’essieu arrière. En enroulant

l’essieu vers l’arrière, on emmagasine assez d’énergie pour faire avancer notre

véhicule rapidement. On a placé un panneau de signalisation au milieu de la piste

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(fig. 5). On l’a fixé avec de la gomme bleue et l'on y a accroché une moulure de

finition de céramique. L’autre extrémité est attachée au véhicule. On y a attaché un

cadre en métal qui est placé autour de la boîte de carton. On a construit un

contenant en carton ressemblant à une pelle mécanique afin de ramasser les balles.

Il se situe à l’avant du véhicule et il est fixé par des pentures qui lui permettent de

lever. Sur l’essieu arrière fait d’une tige filetée, on a inséré un écrou sur lequel un

autre écrou est soudé (fig. 6). Un boulon est inséré dans ce second écrou. Un

support en bois soutient un poids accroché à une corde qui passe par une poulie.

Cette corde est fixée sur le contenant qui contient les balles. On a ensuite fait des

essais en calculant le temps que prend l’engin pour faire ses actions, le nombre de

balles ramassées et le nombre de balles déposées dans le contenant.

Fig. 3. Montage de l’engin Fig. 4. Angle entre les essieux

Fig. 5. Montage sur l’aire de jeu Fig. 6. Essieu arrière

3. Résultats

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Après chaque modification, le véhicule ramassait de plus en plus de balles. Au final, il

ramasse 22 balles et en dépose 22 dans le contenant du centre. Il fait ses actions en

10 secondes (annexe III).

4. Discussion

4.1 Interprétation

La première hypothèse était qu’en alignant les essieux selon les rayons d’un cercle,

l’engin tournerait selon la trajectoire de ce cercle. Ayant préalablement ajusté nos

essieux selon un angle de 22°, on a fait rouler le véhicule sur la piste et on a

constaté qu’il suivait effectivement la trajectoire et revenait à sa position initiale. La

première hypothèse a donc été confirmée.

La deuxième hypothèse était qu’en frappant les supports à une certaine vitesse, les

balles pourraient tomber dans le véhicule. Avec l’énergie procurée par les ressorts,

l’engin a atteint une vitesse considérable. En plaçant les supports aux endroits

appropriés, les 22 balles tombent dans le contenant. Cela a confirmé notre seconde

hypothèse.

La troisième hypothèse était que si le véhicule allait à une certaine vitesse et qu’il

arrêtait brusquement, l’inertie ferait tomber le poids. L’écrou fixé sur l’essieu arrière

se déplace au fur et à mesure que l’engin avance. Lorsqu’il atteint l’autre écrou sur la

tige filetée, l’essieu bloque, ce qui fait arrêter le véhicule subitement. En faisant des

essais, le poids placé sur le support en bois tombait lorsque le véhicule arrêtait. Cela

a donc confirmé notre troisième hypothèse.

Les trois objectifs ont été atteints. Premièrement, le véhicule réussit ses actions en

moins de 20 secondes. En effet, il réussit ses actions en 10 secondes.

Deuxièmement, le véhicule dépose toutes les 22 balles dans le contenant.

Finalement, nous avons réussi à le rendre écoresponsable en utilisant des matériaux

recyclés qui sont pour la plupart recyclables et/ou réutilisables. On peut donc

conclure que notre but a été atteint.

4.2 Critique

Les résultats obtenus sont fiables. En effet, ce sont plus des résultats qualitatifs que

quantitatifs comme vérifier si le véhicule se déplace selon la trajectoire de la piste, si

l’inertie fait tomber le poids et si les balles tombent dans le contenant. Puisque nous

n’avions pas à prendre de mesures, peu de facteurs peuvent venir fausser les

résultats. La constance de l’engin nous permet également de conclure que les

résultats sont fiables. En effet, même après plusieurs essais, les résultats étaient en

grande majorité les mêmes. Les essais non réussis ont pu être causés par des

erreurs de notre part. Par exemple, il nous arrivait de mal positionner le poids, ce qui

l’empêchait de tomber. De plus, si l'on plaçait mal l’écrou, le véhicule arrêtait avant

d’avoir ramassé les dernières balles. Par contre, les facteurs ne sont pas suffisants

pour invalider nos résultats.

La démarche par essai-erreur comporte certains points faibles. Premièrement, c’est

assez long, car souvent, lorsqu’on règle un problème, plusieurs autres apparaissent,

parce qu’on se rend compte qu’on n’avait pas pris en compte telle ou telle contrainte.

C’est aussi très incertain, car malgré les calculs, les résultats expérimentaux sont

souvent très différents de la réalité, car on ne peut pas prendre en compte toutes les

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variables extérieures. Cela peut influencer le résultat final, car le temps est limité,

donc plus la démarche est longue, moins on peut améliorer l’engin.

Le point, fort de cette démarche, c’est que cette méthode est la plus appropriée pour

notre projet. En effet, aucun autre projet semblable n’a été réalisé, donc on ne peut

pas prendre exemple sur les autres. On ne peut pas penser à un prototype parfait

dès le premier coup et dessiner les schémas pour ensuite le construire, il y a bien

trop de variables à prendre en compte. Il faut faire plusieurs essais.

4.3 Retombées

Étant donné que le projet est réalisé dans le cadre d’un concours diffusé à la

télévision, cela permettrait de faire connaître l’ingéniosité des jeunes de niveau

collégial. Cela inciterait les plus jeunes à s’intéresser davantage à la science et

même de les pousser à entreprendre des projets similaires. De plus, cela montrerait

aux générations précédentes l’aptitude des étudiants, à prendre en charge et à

résoudre les problèmes de la société

4.4 Suggestions

Afin d’améliorer le projet, il serait intéressant d’apporter certaines modifications.

Premièrement, il faudrait modifier notre démarche. En effet, il serait plus efficace de

faire une liste de toutes les contraintes à respecter et d’en tenir compte tout au long

du projet. Cela pourrait aider à réduire le nombre d’essais effectués. En réduisant le

nombre d’essais, on pourrait gagner du temps et, ainsi, on pourrait davantage

perfectionner l’engin.

Enfin, il pourrait être intéressant de reproduire l’expérience en ajoutant des balles

sur la piste. Par exemple, on pourrait placer 40 balles et émettre l’hypothèse

suivante : le véhicule réussira à ramasser toutes les balles à condition de mettre un

ressort plus puissant.

5. Conclusion

Le but du projet était de construire un engin capable de ramasser des balles de golf

et de les mettre dans un contenant en respectant certains critères. Les hypothèses

de départ étaient qu’en alignant les essieux selon les rayons d’un cercle, l’engin

tournerait selon la trajectoire de ce cercle, qu’en frappant les supports à une certaine

vitesse, les balles pourraient tomber dans le contenant et que si le véhicule allait à

une certaine vitesse et qu’il arrêtait brusquement, l’inertie ferait tomber le poids. Nos

objectifs étaient que le véhicule accomplisse ses actions en 20 secondes, qu’il mette

les 22 balles de golf dans la boîte et qu’il soit le plus écoresponsable possible. La

méthode utilisée pour atteindre notre but était de construire l’engin par essai-erreur.

En faisant des essais, on a découvert que le véhicule faisait ses actions en 10

secondes et qu’il plaçait 12 balles dans le contenant. Toutes nos hypothèses ont été

confirmées. 2 de nos 3 objectifs ont été atteints. On peut donc conclure que notre

but a été partiellement atteint.

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Médiagraphie

BENSON H. (2009). Physique 1 : Mécanique. Éd. ERPI. Montréal, 737 pages.

CENTRE DE DÉMONSTRATION EN SCIENCES PHYSIQUES. Dépliant Science, on

tourne! : Balle masquée, (Page consultée le 15 janvier 2017) [Version en

ligne], http://scienceontourne.com/newsite/wpcontent/uploads/2017/01/CDSP

_SOT1617_ depliant-FR_pages_separees_janv017.pdf.

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Iconographie

# Fig. section titre : https://pixabay.com/p-1073465/?no_redirect

# Fig. 1 : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ackermann_turning.svg

# Fig. 2 : http://scienceontourne.com/le-defi-2017/

# Fig. 3 : Photo personnelle. M. Tremblay. 2017. Reproduction interdite.

# Fig. 4 : Idem à fig. 3

# Fig. 5 : Idem à fig. 3

# Fig. 6 : Idem à fig. 3