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Equilibres et balances

mardi 5 avril 2005, par Loïc Poullain

Objectifs

- Réaliser un dispositif expérimental à partir de matériaux courants
- Comprendre le principe des leviers : une force (ou action) a d’autant plus d’effet sur une rotation qu’elle est grande et éloignée de l’axe de rotation.

Réalisation du dispositif.

Pour réaliser des équilibres de qualité pour des objets susceptibles de tourner, il faut pouvoir exercer des actions très localisées (sur des fils accrochés par exemple), avoir un axe de rotation avec des frottements très réduits.

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balance en carton
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détail de l’axe de rotation

De plus, la masse totale de l’objet (fléaux, fils et gobelets) doit être très inférieure aux masses des corps accrochés aux fils afin d’en tirer des conclusions simples. Ces contraintes aboutissent aux choix techniques suivants :

- bras mobile en carton ondulé de 5cm de largeur et 30 à 40 cm de longueur
- axe de rotation constitué d’un pic à brochette collé sur le carton par l’intermédiaire d’un morceau de bouchon de liège.
- le support de l’axe est une paille à boire collée à l’adhésif sur une table ou une chaise
- l’aiguille est un autre pic à brochette fixé sur la tranche du carton.

En document joint : la notice de fabrication d’une balance expérimentale d’après Céline Espié d’Uzel.

Pour un dispositif stable, il est préférable que l’axe soit bien au-dessus des points de fixation des fils.

Utilisation

- accrocher deux objets de masses identiques aux deux fils de suspensions : ce serait bien étonnant que les fléaux soient horizontaux.
- chercher un équilibre horizontal en tâtonnant (on ajoute de la matière d’un côté).
- changer les points de fixation (on modifie les distances à l’axe de rotation)
- faire les conclusions concernant les équilibres (voir les objectifs et la fiche connaissance 24)

Transformation en balance

Il est très difficile de percer des trous à égale distance de l’axe de rotation. Dans ce cas, les masses des objets accrochés de part et d’autre ne sont pas égales lorsqu’on obtient un équilibre horizontal.

La balance n’est donc pas juste.

On peut cependant l’utiliser pour mesurer avec précision des masses.
- obtenir un premier équilibre avec l’objet à peser. Pour cela, il faut ajuster de l’autre côté avec du sable ou des petits graviers.
- sans toucher au sable (tare), on remplace l’objet par des masses marquées (connues) et on obtient à nouveau l’équilibre horizontal : la masse de l’objet est égale à la masse totale des masses marquées.
- Si on ne dispose pas de masses marquées, on peut se procurer des petits objets calibrés (plombs de pêche, boulons ou écrous en acier,pinces à linge en bois, trombones, etc.) Il suffit de mesurer leur masse, une fois pour toutes avec une balance de précision disponible à l’IUFM de St Brieuc.

Performances

- Cette "balance" permet de détecter le caractère pesant de l’air en comparant une bouteille plastique "vide" et la même gonflée sous forte pression.

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air sans pression

sa sensibilité est de l’ordre de 2 dg.

- Avec un bras de levier plus important (30cm) on peut détecter que l’air chaud (emprisonné dans un sac papier) est plus léger que l’air froid.

2Et si vous avez la balance brésilienne de Sao Carlos !2

Avec quelques modifications , on peut la transformer en :
- balance romaine
- balance mathématique

et ses utilisations sont très diverses.
Pour avoir des précisions, télécharger le document "balance-defi"

Documents joints