Crane’s Balance

7- Balance of the jib
Authors : Hélène Merle(plus d'infos)
Muriel Guedj(plus d'infos)
Summary :
The goal is to study the balance related to the distribution of weight on either side of the crane’s mast. For this we isolate the problem by studying of the balance of simple mobiles.
Publication : 1 February 2004
Objectives :
Session 1 Notional Goals: intuitive approach for conditions of the jib’s balance. Session 2 Notional Goals: intuitive approach for conditions of the jib’s balance. Discovery of the rules governing balance (importance of the lever arm). Methodological Goals: to interpret an experiment result.
Material :

Session 1:
Per child
an experiment notebook
Per group
series of three masses to lift, while remaining within the possible limits of for each realization. Session 2: Per child: an experiment notebook Per group: Pine strips (20x5mm) of a length of 50cm, suspended in the middle by a string (one per group). Clothespins (at least ten per group)
 

Session 1

Pedagogical approach

DEVELOPMENT

THE TEACHER’S WORD

1. Implementation of the activity


Collective discussion: What happens when the crane lifts a heavy load? What are the risks, how can we fix the problem?
“Today we will only work on the balance of the jib.”
Materials overview: the piece of wood held by the string attached at its center represents the jib in balance (show the class that the piece of wood is horizontal in the absence of load).
 

The goal is to study the balance related to the distribution of weight weights/loads it is not inconvenient to go from the crane’s to the mobile.

2. Carrying out the experiments
Instructions:
“By using clothespins as load and as counterweight, find different possibilities of balance.”

Group work: free search, the children write in their experiment notebooks the solutions and explanations they can possibly provide.
The teacher moves from one group to another, draws attention to the asymmetric balance found and may suggest this possibility if it hasn’t appeared.
Sharing to identify the importance of the mass, as well as the distance from the axis.
At this moment the children will be asked to refer to the crane: on it, the counterweight and the load are fixed at one point on each side of the jib (need to leave grouped pins); the counterweight-axis distance does not change, only the load-axis distance varies (move only pins representing the load). After these remarks, it is decided that at the next session we will draw upon the model of the crane to achieve other balances.

In this phase of experimentation:
- some children achieve balance by distributing the pins over the entire length of the jib on both sides of the string.
- the groups tend to favor situations of symmetry.
 

 

Session 2

Pedagogical approach

1. Reminder of the instructions
“By using clothespins as load and as counterweight, find different positions of balance.”
 

Reprendre les remarques de fin de séance précédente concernant la nécessité de rester fidèle au modèle de la grue.

2. Carrying out the experiments
Group work:
we agree on a common experimental protocol:

- grouped pins;
- counterweight of 4 pins at 12cm from the axis;
- result tables to fill in:
Number of pins of the load 2, 3, 4, 5, 6
Distance from the axis

Theoretical values (data for illustration of the remarks)

Number of pins of the load

2

3

4

5

6

Distance to the axis

24

26

12

9,6

8

It will be interesting, after filling in the table, to point out to the children that, if they don’t do it by themselves, the product of the number of pins multiplied by the distance to the axis remains constant (here, 48 since the counterweight consists of 4 pins at 12cm from the axis).

3. Possible written record depending on the teacher’s choice
Reproduce the characteristic diagrams by indicating both the number of pins and the distance from the axis as well as the result table and the above conclusion.
 

4. Back to the crane
The teacher proposes the following document?. He invites the children to read it and make comments. Pupils find that for a given load, a maximum distance is imposed. Any additional weight and the crane would be unbalanced. This is in agreement with the previous conclusion.
 

 

Word from La main à la pâte

It is possible to use “digital scales” offered by publishers of educational materials to address these notions of balance

 

Comments

Le travail de la fiche 7 pose quelques problèmes. Je pense tout d'abord, que la 1ère conclusion à laquelle on pourrait conduire les enfants est celle que l'équilibre se réalise sous la loi suivante : le contrepoids restant fixe, plus la charge est lourde, plus elle devra se rapprocher de l'axe. Cette première approche de la règle qui débouche sur le fonctionnement des leviers, en dehors de toute donnée numérique, me paraît importante. Par ailleurs, cette idée est de nature à construire la notion de relation possible entre des mesures de nature différente (ici entre une masse et une distance), à aider les enfants à maîtriser la difficile structure du "plusplus". Mon travail s'est orienté ensuite sur les données numériques. J'ai été confronté à 2 difficultés : Les pinces placées sur le tasseau de la façon dont vous l'indiquez ne permettent pas de mesurer des distances entre elles et l'axe de rotation (à partir de quel point prend-on la mesure sur les pinces (sur le bord le plus éloigné, le plus proche de l'axe ou au milieu ?). Vous avez pris en compte l'autre problème posé par les pinces : la possibilité de les dissocier pour réaliser l'équilibre. Pour régler ces 2 difficultés, j'avais fait placer les pinces sur un fil, lui-même coulissant sur le tasseau (ce dispositif nous rapproche de la situation réelle de la grue). Quoiqu'il en soit, les élèves ne trouvent jamais des résultats aussi rigoureux que ceux que vous indiquez (ceci est bien normal). Cette marge d'erreur m'avait incité à travailler avec eux sur les notions suivantes : Le passage par une représentation graphique des résultats. Là encore, cela a permis d'introduire des notions qui relèvent des mathématiques. L'observation des différentes courbes ainsi produites, par leur ressemblance, a permis de constater une certaine régularité dans leur forme. Des écarts évidents autorisaient à mettre en doute la validité de certains résultats. Le passage par le calcul que vous indiquez (utilisation de décimaux et d'une calculatrice) a permis de constater que les nombres trouvés étaient proches. À la suite de cette observation, j'ai invité les élèves à chercher les situations dans lesquelles les écarts étaient les plus importants (en relation avec les observations faites sur la courbe). Les groupes se sont mis alors à reprendre leurs expériences et à refaire les mesures. Des corrections significatives en sont ressorties. Nous avons alors travaillé sur la notion d'erreur et sur les causes possibles. J'ai été très surpris et enthousiasmé de constater que l'esprit critique de mes élèves s'exerçait alors de façon très judicieuse en incriminant les imprécisions dues au matériel (difficulté d'apprécier la position exacte d'équilibre, pinces qui ne sont pas rigoureusement identiques) et l'imprécision des mesures prises (lectures approximatives, manque de minutie dans l'utilisation des instruments, impossibilité de prendre en compte les fractions de mm). Une remarque enfin à propos du matériel : ce travail n'est possible que si les pinces à linge utilisées sont de même masse, ce qui ne peut se réaliser qu'avec des pinces en matière plastique, de la même marque. Cela va peut-être sans dire...

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