FR2805645A1 - Dispositif d'experimentation a but pedagogique destine a l'etude des mouvements pendulaires - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'expérimentation à but pédagogique destiné à l'étude des mouvements pendulaires.Conformément à l'invention, le dispositif (1) comporte une platine fixe (10) s'étendant dans un plan vertical, un enrouleur de fil (20) monté tournant en face avant de la platine (10), un guide-fil 30 monté fixe en face avant de la platine (10), et un crochet (40) permettant de relier un fil (50) qui est enroulé sur un tambour de l'enrouleur de fil (20) et sort du guide-fil (30) par une ouverture associée (34) de celui-ci, à un poids (100) sélectionné dans un jeu de poids (100, 101, 102, 103). La structure du dispositif permet de faire varier aisément les paramètres du pendule.

Description

La présente invention concerne un dispositif d'expérimentation à but pédagogique destiné à l'étude des mouvements pendulaires.

Il existe déjà de tels dispositifs utilisés dans les collèges ou les lycées, seulement constitués par une platine verticale que traverse un fil à l'extrémité duquel est accroché un poids. Il n'est cependant pas prévu de pouvoir faire varier facilement les paramètres du pendule, c'est à-dire la longueur de fil séparant point d'accrochage du centre de gravité du poids suspendu, et éventuellement aussi le poids accroché. Pour faire varier la longueur du fil, on se contente de tirer sur celui-ci en arrière de la platine, pour remonter le poids, et raccourcir la longueur de fil, afin de faire observer que la période d'oscillation diminue avec la longueur fil.

Il existe donc un besoin de réaliser un dispositif d'expérimentation à but pédagogique qui soit mieux adapté à une étude précise et exhaustive des mouvements pendulaires, en permettant notamment des mesures aisées et fiables.

L'invention a ainsi pour objet de réaliser un dispositif d'expérimentation à but pédagogique destiné à l'étude des mouvements pendulaires, dont la structure est apte à faire varier les paramètres du pendule, et ce de façon aisée et précise, en vue d'une étude globale des mouvements pendulaires.

Ce problème est résolu conformément à l'invention, grâce à un dispositif d'expérimentation comportant - une platine fixe s'étendant dans un plan vertical et portant en face avant des graduations angulaires à partir de la verticale ; - un enrouleur de fil monté tournant en face avant de la platine, ledit enrouleur présentant un tambour cylindrique et une molette de man#uvre en rotation ; - un guide-fil monté fixe en face avant de la platine, ledit guide-fil étant réalisé sous la forme d'un élément creux présentant une ouverture de sortie de fil qui est à distance du plan de ladite platine ; et - un crochet permettant de relier un fil, qui est enroulé sur le tambour de l'enrouleur et sort du guide-fil par l'ouverture de sortie de celui-ci, à un poids sélectionné dans un jeu de poids.

L'enrouleur de fil permet aisément de faire varier longueur du pendule et ce de façon précise, et de mesurer les variations consécutives des angles oscillation du pendule.

De préférence, l'enrouleur de fil est clipsé sur la platine, et cet enrouleur de fil est équipé d'un cliquet coopérant avec un cran de la platine, permettant de détecter la rotation d'un tour dudit enrouleur. L'opérateur détecte ainsi aisément, par le bruit du passage du cran, qu'il a effectué un tour complet de molette, et il en déduit aisément la variation correspondante de la longueur fil constituant la longueur du pendule.

Avantageusement, le guide-fil comporte une couronne appui et un cône creux percé à sa base pour le passage du fil qui en ressort par son ouverture de sortie. De préférence, le guide-fil est clipsé sur la platine, et sa position angulaire est fixée par un indexage. sera alors intéressant de prévoir que l'ouverture de sortie du guide- fil est de forme triangulaire à pointe tournée vers le bas. On est ainsi assuré d'un parfait positionnement du fil en sortie du guide-fil, ce qui conditionne l'exacte verticalité du système pendulaire à l'état initial et la stabilité en cours d'oscillation.

Avantageusement encore, le crochet se présente sous la forme d'un doigt allongé dont la tete permet 1 accrochage du fil, et dont l'extrémité inférieure présente des dents d'encliquetage permettant monter ou démonter rapidement un poids à alésage central adapté. De préférence, la platine se présente sous la forme

d'un <SEP> quadrant <SEP> en <SEP> quart <SEP> de <SEP> cercle, <SEP> et <SEP> elle <SEP> présente <SEP> une
<tb> empreinte <SEP> à <SEP> la <SEP> verticale <SEP> du <SEP> guide-fil, <SEP> servant <SEP> à <SEP> recevoir
<tb> une <SEP> portion <SEP> correspondante <SEP> du <SEP> crochet <SEP> pour <SEP> étalonner <SEP> la
<tb> longueur <SEP> du <SEP> fil <SEP> en <SEP> début <SEP> de <SEP> manipulation.
<tb> On <SEP> pourra <SEP> également <SEP> prévoir <SEP> que <SEP> la <SEP> platine <SEP> est
<tb> équipée <SEP> supérieurement <SEP> d'un <SEP> ratelier <SEP> constitué <SEP> de <SEP> doigts
<tb> similaires <SEP> au <SEP> doigt <SEP> formant <SEP> le <SEP> crochet, <SEP> et <SEP> servant <SEP> à
<tb> recevoir <SEP> les <SEP> autres <SEP> poids <SEP> du <SEP> jeu <SEP> de <SEP> poids.
<tb> D'autres <SEP> caractéristiques <SEP> et <SEP> avantages <SEP> de
<tb> l'invention <SEP> apparaîtront <SEP> plus <SEP> clairement <SEP> à <SEP> la <SEP> lumière <SEP> de <SEP> la
<tb> description <SEP> qui <SEP> va <SEP> suivre <SEP> et <SEP> des <SEP> dessins <SEP> annexés,
<tb> concernant <SEP> un <SEP> mode <SEP> de <SEP> réalisation <SEP> particulier, <SEP> en <SEP> référence
<tb> aux <SEP> figures <SEP> où
<tb> la <SEP> figure <SEP> 1 <SEP> est <SEP> une <SEP> vue <SEP> en <SEP> élévation <SEP> d'un
<tb> dispositif <SEP> d'expérimentation <SEP> destiné <SEP> à <SEP> l'étude <SEP> des
<tb> mouvements <SEP> pendulaires <SEP> conforme <SEP> à <SEP> l'invention <SEP> ;
<tb> la <SEP> figure <SEP> 2 <SEP> est <SEP> une <SEP> vue <SEP> en <SEP> perspective <SEP> illustrant
<tb> la <SEP> platine <SEP> du <SEP> dispositif <SEP> précédent <SEP> ;
<tb> - <SEP> les <SEP> figures <SEP> 3, <SEP> 4 <SEP> et <SEP> 5 <SEP> sont <SEP> diverses <SEP> vues <SEP> de
<tb> l'enrouleur <SEP> de <SEP> fil <SEP> lorsqu'il <SEP> est <SEP> démonté <SEP> de <SEP> platine
<tb> précitée <SEP> ;
<tb> - <SEP> les <SEP> figures <SEP> 6 <SEP> et <SEP> 7 <SEP> sont <SEP> des <SEP> vues <SEP> en <SEP> perspective
<tb> du <SEP> guide-fil <SEP> équipant <SEP> la <SEP> platine <SEP> précitée, <SEP> et <SEP> figure <SEP> 8
<tb> est <SEP> une <SEP> demi <SEP> coupe <SEP> de <SEP> ce <SEP> composant <SEP> ;
<tb> - <SEP> la <SEP> figure <SEP> 9 <SEP> est <SEP> une <SEP> coupe <SEP> de <SEP> détail <SEP> de <SEP> la <SEP> pointe
<tb> d'extrémité <SEP> du <SEP> guide-fil <SEP> montrant, <SEP> à <SEP> plus <SEP> grande <SEP> échelle,
<tb> la <SEP> forme <SEP> de <SEP> l'ouverture <SEP> de <SEP> sortie <SEP> dudit <SEP> guide-fil <SEP> ;
<tb> les <SEP> figures <SEP> 10 <SEP> et <SEP> 11 <SEP> illustrent <SEP> en <SEP> perspective <SEP> le
<tb> crochet <SEP> servant <SEP> à <SEP> relier <SEP> le <SEP> fil <SEP> du <SEP> pendule <SEP> à <SEP> un <SEP> poids
<tb> détermine.
<tb> La <SEP> figure <SEP> 1 <SEP> montre <SEP> un <SEP> dispositif <SEP> d'expérimentation
<tb> à <SEP> but <SEP> pédagogique <SEP> selon <SEP> l'invention, <SEP> noté <SEP> 1, <SEP> qui <SEP> est
<tb> destiné <SEP> à <SEP> l'étude <SEP> des <SEP> mouvements <SEP> pendulaires.
<tb> Ce <SEP> dispositif <SEP> comporte <SEP> une <SEP> platine <SEP> fixe <SEP> 10
<tb> s'étendant <SEP> dans <SEP> un <SEP> plan <SEP> vertical <SEP> et <SEP> portant <SEP> en <SEP> face <SEP> avant 11 des graduations angulaires 16 à partir de la verticale, direction notée Z . La platine fixe 10 est supportée par une colonnette 12 s'étendant verticalement d'un plateau de support massif 13, ladite colonnette passant dans deux berceaux arrière 14, dont la forme est mieux visible sur la vue en perspective de la figure 2 montrant la platine fixe . La platine 10 est fixée à la hauteur désiree grâce à une vis moletée 15, dont la tête saille de la face avant de la platine 10, et dont l'extrémité porte sur la colonnette 12.

Il est prévu un enrouleur de fil noté 20 monté tournant en face avant de la platine 10. enrouleur de fil 20 presente un tambour cylindrique 21 sur lequel sont enroulées plusieurs spires d'un fil 50 dont l'extrémité est attachée à une excroissance interne 25 faisant partie de l'enrouleur 20. L'enrouleur de fil 20 présente aussi une molette de man#uvre en rotation, servant à faire tourner dans un sens ou dans l'autre l'enrouleur de fil, afin d'augmenter ou de diminuer la longueur du pendule.

La structure de l'enrouleur 20 sera mieux comprise en se référant aux figures 3 à 5. On constate que l'enrouleur de fil 20 présente, au-delà de sa partie cylindrique constituant le tambour 21, qui est percée d'une encoche passe-fil 24, des pattes d'encliquetage 22 permettant de clipser l'enrouleur de fil 20 sur la platine 10. L'espace axial compris entre le bord libre du tambour 21 et le bords de butée d'accrochage des pattes d'encliquetage 22 correspond à l'épaisseur de la platine 10. Ainsi, l'enrouleur de fil 20 est maintenu en place sur la platine fixe 10, en pouvant tourner autour de son axe. La figure 5 permet aussi de distinguer la patte saillant intérieurement 25 mentionnée plus haut, et qui sert à attacher l'extrémité du fil qui est passé ensuite dans la fente 24 et enroulé en plusieurs spires sur le tambour cylindrique 21.

On a en outre prévu ici, au niveau des pattes d'encliquetage 22, une languette 26 présentant une excroissance saillant vers l'extérieur 27 destinée à constituer un cliquet en coopérant avec une encoche correspondante (non visible sur les figures 1 et 2) du passage traversant associé à la platine fixe 10. Le cliquet 26,27 coopère donc avec un cran de la platine 10, et permet de détecter la rotation d'un tour complet de l'enrouleur du fil 20. Ainsi, lors d'une manipulation, il est aisé de se repérer au bruit correspondant au passage d'un cran, pour savoir de combien de tours on a fait tourner l'enrouleur de fil 20, et en déduire ainsi aisément la variation de longueur du fil grâce à un choix adéquat du diamètre du tambour, par exemple 31,8 millimètres pour faire en sorte qu'un tour complet de l'enrouleur de fil 20 corresponde à une variation de longueur de fil de 0,1 mètre.

Le dispositif d'expérimentation selon l'invention comporte en outre un guide-fil 30 qui est monté fixe en face avant de la platine 10. Le guide-fil 30 est réalisé sous la forme d'un élément creux présentant une ouverture de sortie de fil notée 34 qui est à distance du plan de la platine 10. Ainsi que cela est mieux visible sur la figure 2, et aussi sur les vues spécifiques des figures 6 à 9, le guide-fil 30 comporte en l'espèce une couronne d'appui 31, destinée à venir au contact de la face avant 11 de la platine 10, et un cône creux 32, qui est percé à sa base d'une ouverture 33 pour le passage du fil 50. A son sommet, le cône creux 32 présente une ouverture de sortie 34 par laquelle ressort le fil 50, comme cela est illustré sur la figure 2. Il importe de faire en sorte que le fil 50 soit parfaitement positionné par rapport à son point de suspension, et reste stable lors des oscillations du pendule. Pour cela, on s'arrange pour fixer le guide-fil 3C de telle façon que son axe, qui est perpendiculaire au plan de la platine 10, soit sur la même horizontale que la tangente au tambour cylindrique d'enroulement 20 de l'enrouleur de fil 21 En outre, il est intéressant de choisir une géométrie particulière de l'ouverture de sortie 34, géométrie qui est illustrée sur la vue de détail de la figure 9 : l'ouverture de sortie 34 du guide-fil 30 est en effet de forme triangulaire à pointe tournée vers le bas, ce qui permet de garantir une parfaite stabilisation du fil à la fois en début de manipulation et en cours d'oscillation du pendule.

Sur les figures 6 à 8, on distingue également des pattes d'encliquetage permettant de clipser le guide-fil 30 sur la platine 10. Comme précédemment, la distance comprise entre la face interne de la couronne d'appui 31 et le bord d'accrochage des pattes d'encliquetage 35 correspond sensiblement à l'épaisseur de la platine 10. Il est en outre intéressant de prévoir que la position. angulaire du guide-fil autour de son axe soit déterminée avec précision. En effet, comme on souhaite que l'ouverture de sortie 34 présente bien une pointe centrale tournée vers le bas, il importe de positionner correctement le guide-fil sur la platine 10, de façon que sa position angulaire soit déterminée avec précision . ceci est réalisé grâce à ur: indexage angulaire, obtenu en prévoyant, comme cela est visible sur la figure 7, une saillie 36 d'une languette qui est analogue à celle prévue pour constituer le cliquet de l'enrouleur de fil 20. Dans ce cas, le passage traversant de la platine 10 recevant les pattes d'encliquetage 35 du guide-fil 30 présente une encoche, de telle façon que le guide-fil 30 soit dans la position angulaire désirée.

Les figures 10 et 11 permettent de mieux comprendre la structure particulière choisie en l'espèce pour le crochet 40 qui permet de relier le fil 50, enroulé sur le tambour 21 de l'enrouleur 20 et sortant du guide-fil 30 par l'ouverture de sortie 34 de celui-ci, à un poids 10C sélectionné dans un jeu de poids<B>100,101,102,103.</B>

On constate que le crochet se présente en effet sous la forme d'un doigt allongé 40 dont la tête 41 permet l'accrochage du fil 50 grâce à une ouverture de passage 42. L'extrémité inférieure du doigt allonge 40 présente des dents d'encliquetage 44 de part et d'autre d'une fente centrale 45, de façon que l'on puisse monter ou démonter un poids alésage central. Chaque poids du dispositif d'expérimentation présente en effet un alésage central dont le diamètre correspond à celui de la partie centrale 43 du crochet 40. La hauteur de chaque poids sera de préférence choisie telle que le poids soit maintenu entre les épaulements coniques délimitant axialement la partie centrale 43.

Comme cela est visible sur la figure 2, on constate que la platine 10 présente une empreinte 17 à la verticale de la sortie du guide-fil 30 . cette empreinte sert à recevoir la portion correspondante, qui 'est autre que la tête 41, du crochet 40, pour étalonner la longueur du fil en début de manipulation, comme cela est illustré en trait mixte sur la figure 1.

On constate également sur la figure 1, la présence d'un ratelier 18 équipant supérieurement la platine 10. Ce ratelier 18 est de préférence constitué comme cela est illustré ici par des doigts 19 qui sont similaires au doigt précité 40 formant le crochet. Ces doigts 19 servent à recevoir les autres poids 101,102,103 du jeu de poids, ce qui permet également de s'assurer, avant le rangement du dispositif, que tous les poids sont bien en place.

De préférence, comme cela est illustré sur les figures 1 et 2, la platine 10 se présente sous la forme d'un quadrant en quart de cercle. On aurait pu prévoir une platine en demi-cercle, avec des graduations de part et d'autre de la verticale Z, mais ceci n'apporte rien de plus à la réalisation plus compacte prévue ici.

Avant la manipulation, l'opérateur fait passer l'extrémité du fil 50 par le perçage 33 du guide-fil 30 et l'ouverture de sortie associée 34 tout en manoeuvrant la molette 23 de l'enrouleur de fil 20. Il continue ensuite à derouler du fil 50 en faisant tourner l'enrouleur de fil 20 dans le sens correspondant, jusqu'à amener la tete 41 du crochet dans l'empreinte associée 17 de la platine 10. Il s arrange alors pour que l'enrouleur de fil 20 soit sur un cran dans la position correspondante. Il fixe alors le crochet 40 à l'extrémité libre du fil.

Il suffit ensuite, pour procéder à une manipulation expérimentale, de manoeuvrer l'enrouleur de fil afin de choisir la longueur désirée du pendule, après avoir accroché un poids 100 en faisant passer le crochet 40 au travers de l'alésage central 100.1 dudit poids. On peut alors mesurer les oscillations du pendule, repérer 1 angle maximum d'oscillation sur les graduations 16 de la platine 10.

L'opérateur peut ensuite faire varier longueur pendule, de préférence par crans successifs, dans un sens ou dans l'autre. Il peut alors vérifier directement la formule bien connue donnant la période du pendule en fonction de la longueur, à savoir T = 2 71'(1/g) . Il est rappelé toutefois que cette formule ne correspond en réalité qu'à une approximation qui est valable pour des angles d'oscillation relativement faibles, en particulier inférieurs à environ 8 .

L'opérateur peut également changer de poids en mettant un autres poids sur le crochet 40. constate alors que la période du pendule reste inchangée si la longueur de fil n'est pas modifiée.

On est ainsi parvenu à réaliser un dispositif d'expérimentation à but pédagogique permettant une étude précise des mouvements pendulaires. La structure du dispositif d'expérimentation selon l'invention permet de faire varier aisément les paramètres du pendule, en particulier la longueur et la masse. Enfin, la platine du dispositif d'expérimentation est bien visible ' distance de 1 appareil, ce qui permet une expérimentation très démonstrative pour un ensemble d'élèves.

L'invention n'est pas limitée mode de realisation qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toute variante reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques essentielles énoncées plus haut.

Claims (1)

1. <U>REVENDICATIONS</U> 1 Dispositif d'expérimentation à but pédagogique destiné à l'étude des mouvements pendulaires, caractérisé en ce il comporte - une platine fixe (10) s'étendant dans plan vertical et portant en face avant (11) des graduations angulaires à partir de la verticale ; un enrouleur de fil (20) monté tournant face avant de la platine (10), ledit enrouleur présentant un tambour cylindrique (21) et une molette (23) de man#uvre en rotation ; - un guide-fil (30) monté en face avant de la platine (10), ledit guide-fil étant réalisé sous la forme d'un élément creux (32) présentant une ouverture sortie de fil (34) qui est à distance du plan de ladite platine ; et - un crochet (40) permettant de relier un (50), qui est enroulé sur le tambour (21) de l'enrouleur (20) et sort du guide-fil (30) par l'ouverture de sortie (34) de celui-ci, à un poids (100) sélectionné dans un jeu poids (100,101,102,103). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enrouleur de fil (20) est clipsé sur la platine (10). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou revendication 2, caractérisé en ce que l'enrouleur fil (20) est équipé d'un cliquet (26,27) coopérant avec un cran de la platine (10), permettant de détecter la rotation d'un tour dudit enrouleur. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le guide-fil (30) comporte une couronne d'appui (31) et un cône creux (32) percé à sa base pour le passage du fil (50) qui en ressort par son ouverture de sortie (34). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le guide-fil (30) est clipsé sur la platine (10), et sa position angulaire est fixée par un indexage. 6. Dispositif selon la revendication 4 et revendication 5, caractérisé en ce que l'ouverture de sortie (34) du guide-fil (30) est de forme triangulaire à pointe tournée vers le bas. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le crochet se présente sous la forme d'un doigt allongé (40) dont la tête ( ) permet l'accrochage du fil (50), et dont l'extrémité inférieure présente des dents d'encliquetage (44) permettant de monter ou démonter rapidement un poids à alésage central adapté. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la platine (10) se présente sous la forme un quadrant en quart de cercle. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la platine (10) présente une empreinte (17) à la verticale de la sortie du guide-fil (30) servant recevoir une portion correspondante (41) du crochet (40) pour étalonner la longueur du fil en début de manipulation. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou revendication 9, caractérisé en ce que la platine (10) est équipée supérieurement d'un ratelier (18) constitué de doigts 19) similaires au doigt (40) formant le crochet, et servant à recevoir les autres poids (101,102,103) du jeu de poids.