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Horloge mécanique

 
Ages
6 8 1012141618+

Animation réalisée en collaboration avec le Musée des arts et métiers - Paris.

Le principe de fonctionnement de toute horloge mécanique repose sur la combinaison des trois fonctions suivantes:

  • Une source d'énergie qui permet d'entretenir le mouvement de rotation (ici un poids moteur).
  • Un régulateur: Un pendule (ou balancier) donne une référence de temps précise et invariable. Le système d’échappement, couplé au pendule, permet de cadencer la libération de l’énergie.
  • Un affichage: des graduations et aiguilles donnent accès à l’information.

L'échappement est généralement à ancre comme sur cette animation. Pour de petits angles (<5°) d’oscillation du balancier, on approche de la condition d'isochronisme: la période du pendule ne dépend pratiquement que de sa longueur et de la gravité du lieu  (mais pas de la masse du pendule ni des amplitudes d’oscillations). Par exemple, à Paris, un pendule d’un mètre a une période de deux secondes. En allongeant le pendule on augmente la période des oscillations.

Faire glisser le curseur glissant pour modifier la période.

Remonter le poids lorsque celui-ci est arrivé en bas pour recommencer.

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  • Simuler le fonctionnement d'un dispositif permettant la mesure du temps.
  • Aborder l'historique de cette invention (Galilée, Christiaan Huygens, George Graham ...).
  • Montrer une application du mouvement périodique du pendule.
  • Illustrer le principe de fonctionnement du couple ancre-roue d'échappement (contrôle de l'énergie).

 

Scénario pédagogique - Télécharger

  • Introduire le sujet

Citer plusieurs instruments de mesure du temps. Les élèves devront citer le calendrier (mesure des jours, mois, années), la montre (mesure des heures, minutes), le chronomètre (mesure des secondes), le sablier ou le clepsydre, le cadran solaire.

  • Expérimenter

L’enseignant propose de réaliser un dispositif simple de mesure du temps : le pendule.

Les élèves sont répartis par groupe de deux. Chaque groupe dispose de plusieurs boules de poids différents, de fil qu’ils peuvent couper à différente grandeur, d’un clou et d’un support pour accrocher le pendule, d’un chronomètre.

Chaque groupe réfléchit pour agencer les éléments de façon à réaliser un dispositif qui permet de mesurer un temps (réalisation d'un pendule simple). Il relève les résultats de l'expérience à l’aide du chronomètre.

L’enseignant passe en revue les dispositifs de chaque groupe, il note les résultats de chacun au tableau. Il introduit la notion de période et met en avant la diversité des résultats obtenus. Les élèves s’interrogent sur les paramètres susceptibles d’influencer les résultats de la mesure.

Comment modifier la durée d'une période? L’enseignant demande à chaque groupe de réitérer l’expérience en changeant simplement de boule, puis dans un second temps la longueur du fil.

Quelle est la durée de fonctionnement du dispositif réalisé ? Expliquer pourquoi le mouvement du pendule s’arrête. Réponse : le frottements avec l’air ralentit progressivement le mouvement de la boule jusqu’à ce qu'elle s’arrête.

Que faudrait-il faire pour entretenir le phénomène de mouvement du pendule ? Tester les hypothèses sur les dispositifs expérimentaux et proposer des réponses. Les élèves poussent la boule manuellement pour entretenir le mouvement de balancier, ils fournissent en permanence de l’énergie au pendule.

  • Comprendre

Lancer l’animation Horloge mécanique.

Observer les éléments de l’horloge. Qu’est ce qui est commun au dispositif expérimental ? Qu’est ce qui a été ajouté ?

Essayons de comprendre le rôle de chaque élément.

  1. Supprimons l’ancre. Que se passe-t-il ?
  2. Quand le poids est arrivé en bas, que constatons-nous ? C’est le pendule simple de l’expérimentation, il s’arrête au bout d’un certain temps.
  3. Remontons le poids, observons : le pendule ne s’arrête pas, le mouvement est entretenu.
  4. Quel est le rôle de l’ancre ? L’ancre, combinée à la roue d'échappement (qui est entraînée par le poids), fournit l’impulsion qui permet de « pousser » le balancier à chaque oscillation.
  5. Modifions la longueur du pendule et mesurons la période de l’horloge.
  • Synthèse

Quelle est l'application de ce système mécanique ? Afficher le cadran sur la petite roue. L’aiguille bouge au rythme de chaque dent : elle indique l’unité de base. L'enseignant montre à la classe, photos à l'appui, toute la complexité d'un vrai mécanisme d'horlogerie (engrenages, miniaturisation ...).