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Toupies Mouvementées

Différentes toupies tournent pour différentes intervalles de temps. Si on les lance à la même vitesse, des toupies plus lourdes tournent pour plus longtemps que des toupies plus légères. Ceci est dù à son moment: la masse de l’objet, multipliée par sa vitesse.  Le plus d’élan qu’a un objet, ou le plus élevé son moment, le plus difficile qu’il est à arrêter. Éventuellement, n’importe quel objet qui se déplace ou est en mouvement arrêtera, dû à la friction avec des surfaces de contact.

Pour un objet qui tourne sur un axe, comme une toupie, la durée de son mouvement est aussi déterminée par la distance du poids de l’axe central. Si la majorité du poids se trouve vers le bord de la toupie, son moment cinétique sera plus élevé, et il tournera pour plus longtemps. Mais il sera aussi plus difficile à faire partir, car la plupart du poids se trouve loin du centre de masse.

Dans cette activité, on va construire nos propres toupies de différentes tailles, poids et formes, pour voir comment différents facteurs affectent la durée de son mouvement cinétique.

Objectives

  • Construire leurs propres toupies et les faire tournoyer.

  • Comprendre comment la masse et la vitesse changent les mouvements des toupies.

  • Faire des experiences pour comprendre les effets de l’intertie et du centre de gravité sur les mouvements.

Materials

  • Partie 1

    *La plupart de ces matériaux peuvent être achetés à une quincaillerie (ex : Home Depot)*

    Par Toupie:
    assiette en papier ou en Styrofoam
    goujon en bois ¼ de pouce épais et 25cm de long
    2 bouchons en caoutchouc #8 avec un trou (achetables à Northwest Scientific Supply)
    clou ou crayon pour percer des trous
    savon liquide pour aider à insérer la goujon dans les arrêts

    Pour les lanceurs élastiques:
    planche de bois 5 x 2 x 40 centimètres (des 2×1)
    2 élastiques longs et larges (#64 ou équivalents), attachés ensemble
    3 crochets vissables : 2 à une extrémité de la planche, 1 à l’autre

    Pour les lanceurs en corde:
    1 corde de 75cm
    grosse perle ou bobine de fil
    toupies commerciales

    Partie 2

    Pour le groupe:
    Toupies de partie 1
    assiettes et bouchons supplémentaires
    crayon
    papier collant
    montre ou minuterie

    Pour ajouter du poids:
    Écrous et boulons
    rondelles de metal
    trombone
    pince-notes
    plasticine

Key Questions

  • Comment est-ce que les toupies tournent en différentes manières?
  • Comment peut-on utiliser des observations pour plus savoir?

What To Do

Partie 1

  1. Explorer le monde des toupies:
    • Est-ce qu’on en a à nous?
    • Comment ont-elles l’air?
    • Avez-vous joué avec une toupie?
    • Comment fonctionnent et se comportent-elles?
    • Où se trouvent des toupies dans notre quotidien?
    • Est-ce que vous avez déjà été une toupie?
    • Avez-vous déjà été sur une toupie? Comment était-ce?
    • Y a-t-il autre chose d’unique au sujet?
  2. Construisez la toupie
    • Trouvez le centre de votre assiette de papier en la balançant sur votre doigt. Lorsque l’assiette est balancée, vous avez trouvé son centre. Utilisez le clou ou le crayon pour y percer un trou dans ce centre
    • Trempez un côté du goujon en bois dans le savon liquide pour faciliter son insertion dans les bouchons de caoutchouc.
    • Glissez un des bouchons sur le goujon jusqu’au quart de sa longueur, et insérez la goujon dans l’assiette. Le dessus de l’assiette devrait faire face vers le haut.
    • Glissez le deuxième bouchon sur la portion du goujon de bois qui sort en dessous de l’assiette. Il devrait y avoir 2 à 3 centimètres de bois visibles en dessous de l’assiette.
  3. Lancez la toupie

  • Faites sûr de resserrer les bouchons pour qu’ils pincent l’assiette, car ils se desserreront à mesure des lancements.
  • Pour le lanceur élastique :
    • Attachez deux élastiques ensemble. Enroulez un bout de la chaîne d’élastiques autour de la tige de la toupie.
    • Placez la tige de la toupie dans les deux crochets. L’élastique qui est enroulé autour de la tige devrait se trouver entre les deux crochets.
    • Le bout libre de la chaine d’élastiques s’attache au crochet à l’autre extrémité de la planche de bois.
    • Pour remonter la toupie, faites tourner sa tige sur elle-même. Tenez la tige fermement.

  • Avec la toupie près du sol, laissez aller la tige. Lorsque la toupie est en rotation, soulevez le lanceur pour la libérer.
  • Pour le lanceur en corde :
    • Enroulez la corde autour de la tige de la toupie jusqu’à ce qu’il reste à peu près 5 centimètres de corde.
    • Placez la toupie sur le sol et passez la corde en excès dans la poulie ou perle.
    • Tenez fermement la poulie ou perle, tout en laissant aller la tige de la toupie. Tirez sur la corde lentement en commençant, ensuite plus rapidement.

  1. Comparez vos résultats
    • Donnez du temps pour les élèves de partager leurs techniques de lancement les uns avec les autres. Faites sûr qu’ils ont amplement de temps pour se pratiquer à lancer leurs toupies.

Partie 2

  1. Observez vos toupies (Partie 1)
    • Utilisez tous vos sens pour décrire la rotation de vos toupies. Comparez-les aux toupies commerciales que vous avez emmenées.
  2. Posez des questions
    • Donnez du temps aux élèves de penser à des questions qui peuvent se répondre en faisant des expériences avec les toupies. Si le groupe a de la misère, vous pouvez offrir des suggestions. Des questions exemplaires :
      • Est-ce que la direction de la toupie a un effet sur sa durée de rotation?
      • Est-ce que le poids de la toupie a un effet?
      • Est-ce que l’endroit où on place les poids sur la toupie a un effet?
      • Est-ce que la toupie dure plus longtemps si l’assiette fait face vers le sol?
      • Est-ce que le nombre d’assiettes utilisées dans la construction de la toupie a un effet?
      • Est-ce que la longueur de la tige a un effet?
      • Est-ce que la surface sur laquelle on lance la toupie a un effet?
  3. Concevez une expérience
    • Demandez aux élèves de trouver des suggestions pour trouver des réponses à leurs questions en faisant des expériences. Utilisez le matériel à votre disposition pour changer votre toupie : ajoutez du poids au centre ou aux rebords, ajoutez des assiettes ou des bouchons, décorez votre assiette et plus!
  4. Expériences!
    • La classe entière peut travailler sur une expérience, ou il peut y avoir plusieurs groupes travaillant sur plusieurs questions. Donnez-leur plein de temps pour faire leurs essais. Les élèves devraient garder des notes de leurs investigations.
  5. Discussion
    • Partagez les méthodes et les résultats des expériences. Faites mentions des mots force, inertie, moment, centre de masse, où il est approprié. Utilisez un tableau pour garder des notes des résultats et observations.
  6. Expériences, partie deux!
    • Donnez du temps supplémentaire pour d’autres expériences. Les élèves voudront peut-être mettre des nouvelles idées en application.
  7. Conclusion

Revisitez les concepts clés de cette activité. Ceci peut inclure les observations sur le mouvement des toupies, ainsi que le processus d’expériences scientifiques.

Extensions

  • • Les objets en rotation ont une stabilité remarquable. Parlez des gyroscopes et leur rôle dans les satellites spatiaux.• Faites des expériences avec des ballons de football et des Frisbees, en les lançant avec et sans rotation. Comment la rotation affecte-t-elle la trajectoire des objets?

Other Resources

Science World Resources | A New Spin On Motion | version anglaise de cette ressource

Zubrowski, B. Tops and Yo-Yos. (New York; Cuisenaire, 1994).
Les activités de toupies viennent de ce livre.