À propos de cette expérience
Une balançoire à bascule est en équilibre lorsque l’effet de rotation d’un côté est égal à celui de l’autre côté. Cet effet de rotation, appelé moment, dépend à la fois du poids et de la distance qui le sépare du point d’appui. Suspends des masses à cette barre, déplace-les le long de celle-ci et déplace aussi le point d’appui lui-même. Tu constateras qu’une masse légère éloignée peut équilibrer une masse lourde proche du point d’appui, et qu’une barre ayant son propre poids peut être en équilibre sans rien sur son côté court.
Objectifs pédagogiques
- Définis le moment d’une force comme le produit de la force par la distance perpendiculaire au point d’appui
- Énonce le principe des moments : à l’équilibre, les moments dans le sens horaire sont égaux aux moments dans le sens antihoraire
- Utilise le principe pour trouver une masse ou une distance inconnue
- Explique pourquoi le point d’appui doit supporter le poids total
- Prends en compte le poids de la barre, qui agit en son centre de gravité
Comment l’utiliser
- 1Commence avec des masses égales. Déplace l’une des masses d’un trou vers le point d’appui. Quel côté descend ?
- 2Retire tous les poids et suspends 200 g au cinquième trou à gauche. Où dois-tu suspendre 1 kg, 500 g ou 200 g à droite pour équilibrer la barre ? Cherche une règle.
- 3Choisis « Léger loin, lourd près ». Vérifie que les deux moments soient égaux, même si les poids ne le sont pas.
- 4Place deux poids différents du même côté. Comment leurs moments s’additionnent-ils ?
- 5Retire tous les poids, active « La barre a un poids » et déplace le pivot hors du centre. Quel côté s’abaisse, et pourquoi ?
- 6Choisis « Barre lourde, pivot décentré ». Trouve un moyen d’équilibrer la barre avec un poids supplémentaire.
Le modèle
Hypothèses
- La barre est rigide et le pivot n’a pas de frottement. Les poids sont suspendus verticalement aux trous ; leur distance au pivot se mesure donc le long de la barre.
- Les trous sont espacés de 10 cm. Lorsque la poutre n’est pas en équilibre, elle bascule jusqu’à reposer sur une butée à 12°.
- Sauf si l’option « Poids de la poutre » est activée, la poutre elle-même est considérée comme étant sans poids. Lorsqu’elle a un poids, toute sa masse de 0,5 kg agit en son centre.
À essayer en classe
- Q1Un enfant de 30 kg est assis à 2 m du pivot d’une balançoire à bascule. Où un enfant de 40 kg doit-il s’asseoir pour l’équilibrer ?
- Q2Pourquoi est-il plus facile d’ouvrir une porte en poussant près de la poignée plutôt que près des charnières ?
- Q3Une clé à manche plus long permet de desserrer plus facilement un écrou serré. Explique pourquoi en utilisant les moments de force.
- Q4Deux poids équilibrent une poutre. Que se passe-t-il si on les éloigne tous les deux d’un trou supplémentaire du pivot ?
- Q5Pourquoi une grue a-t-elle besoin d’un contrepoids lourd, et pourquoi le contrepoids peut-il être déplacé sur certaines grues ?
Foire aux questions
Pourquoi les unités d’un moment de force ressemblent-elles aux unités de l’énergie ?
Les deux s’expriment en newtons-mètres, mais ce sont des grandeurs différentes. Pour un moment, la distance est perpendiculaire à la force et rien ne bouge ; pour le travail, le déplacement se fait dans la direction de la force. C’est pourquoi les moments s’expriment généralement en N·m et l’énergie en joules.
La poutre est-elle en équilibre lorsque les poids sont égaux des deux côtés ?
Seulement si les poids sont également à la même distance du pivot. Ce qui doit être égal, c’est le moment, poids multiplié par distance, et non le poids seul.
Pourquoi la force exercée par le pivot change-t-elle lorsqu’on ajoute des poids, mais pas lorsqu’on les déplace ?
En équilibre, le pivot doit pousser vers le haut avec autant de force que l’ensemble pousse vers le bas. La force du pivot est donc égale au poids total, quelle que soit la position des poids.