Présentation
Ce banc d'essai a été imaginé pour permettre aux élèves de 5ème d'acquérir, dans le cadre des séances de technologie, certaines connaissances et capacités du programme.
Aussi, à travers son utilisation les élèves pourront facilement transférer quelques acquis scientifiques en lien avec la mécanique céleste, et résoudre des problèmes à caractère technologique.
Cette maquette permet d’observer l’influence des saisons et de l’heure de la journée sur l’ensoleillement d’une pièce. Une «casquette» amovible sur la baie vitrée permet de montrer l’intérêt de cet élément.
D'autres outils de type informatique mettent aussi en évidence cette notion d'ombre portée, mais sans montrer la trajectoire relative du soleil par rapport à l'implantation d'une maison ( ce que montre très bien ce banc d'essai).
L'homothétie étant impossible à respecter (distance soleil / dimensions des maquettes étudiées), seule l'étude de maquettes de façades ou d'ouvertures est envisageable. L'étude de l'ensoleillement d'une maquette complète de maison ne peut pas être étudiée avec cet outil.
Simple à réaliser, ce banc d'essai permettra à vos élèves, dans le cadre d'investigations, d'appréhender et de résoudre certaines problèmatiques liées à l'habitat.
Il peut aussi constituer matière à projet en 3ème pour une production collective. La réalisation vise alors un «auto-équipement» qui sera utilisable par la suite en 5ème comme matériel d’expérimentation.
L'approche scientifique :
Des vidéos montrent bien la notion de mouvement relatif entre la terre et le soleil.
Par exemple : http://www.youtube.com/user/universalis25
Ainsi que certaines animations numériques, réalisées par Geneviève Tulloue professeur agrégée de Physique de l'académie de Grenoble que l'équipe du réseau national de ressources remercie tout particulièrement.
L'ensoleillement en fonction des saisons : http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Soleil/Mouvement/ensoleillement.html
Position du soleil dans le ciel : http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Soleil/Mouvement/Jour_nuit.html
Ombre d'une maison : http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Soleil/Heure/ombre_maison.html
Connaissances et capacités spécifiques à la technologie collège.
Plusieurs connaissances et capacités peuvent être acquises par les élèves en utilisant le banc d'essai ou le logiciel Sketchup à partir des problématiques suivantes : par exemple :
-* Comment orienter une façade de maison pour un ensoleillement maximum?
-* Quelles solutions techniques pour limiter l'ensoleillement d'une pièce l'été?
-*.....
Connaissances |
Capacités |
Outils utilisés |
Solutions techniques |
Identifier la solution technique retenue pour réaliser une fonction de service |
Banc d’essai "Ombre portée" |
Comparer, sur différents objets techniques, les solutions techniques retenues pour répondre à une même fonction de service |
Banc d’essai "Ombre portée" |
Modifier tout ou partie d’une structure ou d’un assemblage pour satisfaire une fonction de service donnée. |
Banc d’essai "Ombre portée" Logiciel "Sketchup" |
Réaliser cette modification à l’aide d’un logiciel. |
Logiciel "Sketchup" |
Modélisation du réel (maquette, modèles géométrique et numérique) et représentation en conception assistée par ordinateur. |
Réaliser la maquette numérique d’un volume élémentaire. |
Logiciel "Sketchup" |
Modifier une représentation numérique d’un volume simple avec un logiciel de conception assistée par ordinateur. |
Logiciel "Sketchup" |
Économie d’énergie, pertes. |
Identifier des solutions qui permettent de réduire les pertes énergétiques. |
Banc d’essai "Ombre portée"
Logiciel "Sketchup" |
Comment réaliser le banc d'essai Ombre portée
La Table
- Utiliser une table suffisamment grande pour pouvoir y poser et étudier des maquettes assez volumineuses.
- Les tables de cours actuelles de 2m x 1m avec des pieds de 40mm sont parfaites.
L'Orbite
- Elle doit être suffisamment souple pour pouvoir être cintrée à un diamètre de 1m, et à la fois rigide pour supporter le poids du spot (Soleil). Sa longueur est de 2 à 3m.
- Un profilé rectangulaire en PVC de 50mm x 10mm convient bien.
Le Soleil
- Cette source de lumière doit posséder un système de fixation rapide pour pouvoir changer l'heure, et doit éclairer suffisamment pour produire une ombre exploitable. Un spot léger équipé d'une pince de fixation convient (attention à ce qu'il ne soit pas trop lourd !)
La platine de rotation.
- Prévoir assez solide ! Plaques de PVC 10mm et colliers pour fixation à la table en fonction du diamètre des pieds (voir les fichiers SolidWorks)
Réglage du banc d'essai «Ombre portée»
- Les Saisons
- Les saisons sont obtenues en modifiant l'angle que fait l'orbite (support de la source lumineuse), avec l'horizon (ici le plan de la table).
Cet angle est égal à :
- 90° - la latitude (du point d'observation) + déclinaison (à la date d'observation)
Exemple pour Royan (17200) : La latitude est d'environ 45°,
- la déclinaison en 2010 :le 21 Mars et Septembre est égale à zéro.
- le 21 Juin est égale à 23° Nord (+23)
- le 21 décembre est égale à 23° Sud (-23)
Ce qui nous donne approximativement :
- au solstice d'hiver : 90° – 45° - 23°= 22°
- au solstice d'été : 90° – 45° + 23°= 68°
- au printemps et à l'automne : 90° – 45° +0°= 45°
- Les Heures
- Repérer la position des 12 heures (point au sommet de la courbe de l'orbite).
- En positionnant l'orbite sur les positions, hiver, printemps, automne et été, vous pouvez repérer les heures de lever et coucher du soleil à ces époques-là.
- Repérer les autres heures par division des secteurs restants.
- Ces heures correspondent au temps universel (heure TU, l'heure solaire).
- Les points cardinaux
- Positionner l'orbite sur la saison printemps, automne. C'est uniquement à ces dates-là que le soleil se lève précisément à l'est et se couche à l'ouest. Vous en déduisez facilement la position des points cardinaux.
- Repérer sur la table l'axe Est – Ouest , ce sera important pour l'étude à venir des maquettes.
Utilisation du banc d'essai «Ombre portée»
Positionner la façade Sud de la maquette à étudier le long de l'axe Est – Ouest. Il ne reste plus qu'à découvrir l'influence de la saison et des heures sur celle-ci
Les fichiers du banc d'essai
Ces fichiers sont disponibles dans l'onglet "Fichiers et liens"
- La modélisation de la chambre avec ombre portée version Sketchup 7
- La modélisation du banc d'essai version Edrawings
- La présentation du banc d'essai version Power point
- La modélisation du banc d'essai en version solidWorks