Les fourchettes équilibristes

J’ai mis un peu de temps à rédiger cet article car si l’expérience en elle-même est relativement simple, je ne savais pas trop par où commencer pour expliquer simplement le phénomène.

Suite à mes derniers post concernant la masse, le poids et la gravité, il m’a semblé beaucoup plus simple d’aborder ce thème.

L’une des choses importantes que les enfants doivent apprendre, c’est à marcher et à garder leur équilibre. Comprendre comment fonctionne l’équilibre et le centre de gravité peut être très rigolo pour les enfants, car les opportunités pour explorer ces sujets sont nombreuses.

Voilà une petite expérience très simple à réaliser, mais un peu plus compliquée à comprendre... et à expliquer!

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Question de départ

Comment permettre à des objets d’un certain poids de rester en équilibre ?

Phénomène à observer

Notion de gravité et d’équilibre

Matériel nécessaire à l’expérience

• Bouchon de liège
• Aiguille (ou cure-dent)
• 2 fourchettes identique (elles doivent être exactement du même poids)
• Bouteille (fermée)

Etape 1

Planter l’aiguille ou le cure dent au centre d’une des 2 extrémités du bouchon de liège.

Questions posées à Zachary, 6 ans
Que va t-il se passer si on pose le bouchon avec l’aiguille sur une surface plane ?
Réponse : Ben, ça va tenir sur l’aiguille !

On lui demande de poser le bouchon de liège sur l’aiguille et d’essayer de le faire tenir en équilibre. Il constate que ce n’est pas possible.

Etape 2

Planter les 2 fourchettes de chaque coté du bouchon de liège, au milieu ou un peu vers le bas, de la façon la plus symétrique possible.

Questions posées à Zachary
Que penses-tu qu’il va arriver lorsque l’on va poser notre « montage » sur le dessus de la bouteille ?
Réponse : Ça va tomber, c’est trop lourd!

Etape 3

Place cet étrange objet sur le dessus de la bouteille (fermée) et observe ce qui se passe…

Normalement, l’objet devrait rester en équilibre parfait et ce, même si on le bouscule légèrement. Hors, selon la façon dont on réussit à fixer les fourchettes, ça ne fonctionne pas forcément du premier coup… D’abord, on a obtenu une sorte de satellite qui tournait en orbite dans un drôle d’équilibre au dessus de la bouteille! Après plusieurs manipulations, on a finalement réussit un montage qui tenait dans un équilibre plus stable…

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Questions posées à Zachary concernant l'expérience

Pourquoi les fourchettes ne tombent pas ?

Zachary nous explique les manipulations faites, que juste sur l’aiguille seule, le montage ne tenait pas alors qu’avec les fourchettes ça tient. Par contre, il est incapable de trouver une explication au phénomène…

Connais-tu la gravité ? Que peux-tu me dire sur la gravité?

Lors de la première expérience (il y a environ 2-3 mois), il connaissait le mot, mais s’était trouvé incapable de nous expliquer ce que c’était. Je lui ai reposé la question au moment d’écrire ce post (il y a environ 1 semaine) et la réponse était beaucoup plus complète.

Pendant cette période, nous avons fait l'expérience des balles de tennis et donc, il savait que par exemple, quand on prend une balle et qu’on la lâche, elle va tomber au sol et ne flottera pas dans les airs.

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Explications scientifiques

Le centre de gravité

Chaque chose qui nous entoure possède ce que l’on appelle un « centre de gravité ». Le dictionnaire [2] nous donne la définition suivante :

Point de concentration des différentes forces qui permet à un corps de se tenir en équilibre.

Une autre façon de résumer serait de dire que c’est un peu comme si « l’ensemble du poids de l’objet se trouvait à ce point-là ».[3]

En gros, disons que le centre de gravité se retrouve généralement « à peu près » au centre de la masse d’un objet, là où son poids sera attiré vers le bas, par l’attraction terrestre.

Un objet (ou une personne) aura un équilibre stable si la projection de son centre de gravité (en langage scientifique on parlera de projection orthogonale) se retrouve à l’intérieur de ce que l’on appelle le polygone de sustentation.

Ok… bon, et ça se « substante » comment ça en hiver ?

Le polygone de sustentation

Il s’agit tout simplement de la surface au sol sur laquelle repose l’objet. Le plus simple est de s’imaginer une personne qui se tient debout, les pieds légèrement écartés. On imagine la surface créé par ses deux pieds comme formant une sorte de rectangle. Une personne se tenant les pieds joints aura un polygone de sustentation plus fin qu’une autre qui aura les pieds écartés.

Lorsque le centre de gravité de l’objet ou de la personne « pointe » dans le polygone de sustentation, l’équilibre sera stable. En revanche, si le centre de gravité de la personne dévie du polygone de sustentation, l’équilibre sera perdu, la personne subira la force de la gravité… et tombera.

On dit aussi que plus le centre de gravité est bas, plus un ensemble sera stable.

Dans le cas de l’expérience

Le bouchon de liège présente un centre de gravité et un polygone de sustentation qui sont dans le même axe : seul, posé sur une surface plane, il est stable. L’aiguille a un centre de gravité situé à peu près à son centre. Posé à la verticale, celui-ci se retrouve en hauteur avec un polygone de sustentation extrêmement fin. Il est donc quasi impossible de la faire tenir en équilibre dans cette position.

Avec des instruments très précis permettant un positionnement impossible à l’oeil nu, cela peut se faire, mais là, je met quiconque au défis d’y parvenir comme ça!

Et le rôle des fourchettes dans tout ça?

Les fourchettes ajoutées à l’ensemble modifient le centre de gravité qui se retrouve alors SOUS le point d’appui. Comme dit précédemment, plus le centre de gravité est bas, plus l’ensemble est stable. Le polygone se retrouve en quelque sorte « inversé ». L’ensemble est donc extrêmement stable et acceptera même d’être un peu bousculé!

L’exemple des funambules

C’est ce qui se passe avec les funambules qui marchent sur une corde en tenant une perche. La pointe des perches modifie leur centre de gravité: soit en augmentant leur polygone de sustentation, soit en positionnant leur centre de gravité sous leur point d’appui, c'est à dire le fil sur lequel ils doivent marcher…

En conclusion

Bien que les explications soient un peu ardues à comprendre pour les enfants, de simples petites expérimentations leur permettront de comprendre les principes du polygone de sustentation et ensuite, de jouer à tester eux-mêmes leur propres limites.

Voici quelques idées et n’hésitez pas à proposer les vôtres!

• Leur demander de se tenir d’abord sur un pied (comme le bouchon de liège sur son aiguille) ensuite sur leurs deux pieds joints, puis sur ses deux pieds légèrement écartés, comme si leurs jambes étaient des fourchettes;
• Tenter divers montages avec des centres de gravité sous le point d’appui;
• Tester l’importance de la symétrie dans un montage avec, par exemple, une tour de Kappla
• Et bien sûr, ne pas oublier les courses à obstacles avec ses nombreuses façons de tester leur propre équilibre!

[2] http://www.linternaute.com/dictionnaire/fr/definition/centre-de-gravite
[3] http://lewebpedagogique.com/choukette/files/2011/06/La-m%C3%A9canique.pdf
[4] https://www.cairn.info/revue-staps-2005-1-page-59.htm
[5] www.lyc-dumont-maurepas.ac-versailles.fr/IMG/ppt/equilibres_final.ppt
[6] http://www.hugolescargot.com/apprendre/36006-les-fourchettes-equilibristes/