Atelier Sciences

Maquette Soleil-Terre-Lune

Introduction : 

Réalisation d’une maquette représentant le système Soleil-Terre-Lune qui expliquera entre autres :

v Les phases de la lune

v Les éclipses de soleil et de lune

v Les saisons,…

Nous voulons une maquette suffisamment grande pour bien voir les différents phénomènes, mais également pas trop volumineuse pour pouvoir être transportée ou exposée. Nous nous fixons une valeur approximative d’un mètre. Après quelques essais, nous décidons d’adapter l’échelle à la taille de la Terre (boule de polystyrène de 12 cm de diamètre), ce qui donne :

Les distances n’étant pas respectables, nous décidons alors de ne pas les respecter. Cependant, les élèves essaient de trouver une logique, notamment d’essayer de conserver la proportion avec la lune : la Lune est 400 fois plus petite que le Soleil mais 400 fois plus proche de nous, afin d’observer le phénomène d’éclipses. Ils en profitent pour exagérer certaines données pour avoir une meilleure représentation de la réalité.

1- Réalisation de la première maquette d’essai:

Dans un premier temps, les élèves ont recherché sur Internet des informations concernant d’éventuelles maquettes déjà réalisées. Ils ont trouvé sur le site de l’Observatoire de Paris les plans d’une telle maquette.

Les élèves ont alors assemblé leur première maquette statique comportant le Soleil, la Terre et la Lune. Celle-ci ne respecte pas les échelles et ne comporte pas de moteur. Elle sert uniquement à observer et comprendre les différents phénomènes recherchés, et surtout de voir comment on peut imaginer une maquette motorisée et commandée qui permettra de réellement observer ces phénomènes. Cette maquette donne aussi l’occasion de constater que certains phénomènes n’ont lieu que si les échelles ou certaines caractéristiques sont bien respectées (ex avec les éclipses qui pourraient avoir lieu tous les ans si tous les paramètres n’étaient pas respectés).

D’autres élèves ont fabriqué, avec des boules de polystyrène, la Terre et la Lune à partir de photos.

Par la suite, les plans de la maquette définitive ont été réalisés avec les bonnes valeurs et nous avons effectué quelques tests pour trouver des systèmes de mécanisation (engrenages – moteurs – application)

Dans un second temps, les élèves ont commencé de fabriquer la maquette définitive qui comporte tous les moteurs (mais miniaturisés au maximum) ainsi que tout le câblage relié à un boîtier de commande. Plus tard, nous essaierons également de fixer une caméra (sur la France) mais nous ne savons pas encore si celle-ci sera opérationnelle pour le 4juin. Cette dernière permettra de percevoir les différents phénomènes illustrés, et ce, par un observateur terrestre situé aux alentours de Poitiers.

Pour l’instant les élèves ont réalisé la plaque de support du soleil qui comporte 4 pistes amenant le courant pour les quatre moteurs nécessaires, ainsi qu’un bras articulé qui supporte la Terre et son satellite. Les élèves ne s’étant pas auparavant décidés dans les valeurs à choisir avant la construction de ce bras articulé, celui-ci a une longueur variable avec un système facilement démontable.

2- Réalisation de la maquette définitive motorisée:

Le socle est réalisé dans un nouveau matériau plastique isolant (pour éviter tout problème de court-circuit) plus léger et se travaillant plus facilement.

La trajectoire de la Lune est représentée par une ellipse inclinée de 5°. Cette ellipse a été réalisée avec l’aide d’une entreprise locale – Tramétal - qui travaille régulièrement pour et avec les élèves de l’atelier scientifique. Cette dernière est plus elliptique que dans la réalité (les échelles n’étant pas respectées, cela nous a alors paru possible), afin de faire comprendre et de bien s’imaginer la représentation de sa trajectoire qui n’est pas circulaire. Une chaîne sur l’ellipse entraîne la Lune qui tourne ainsi autour de la terre. Un moteur fixé sur son axe (dessous pour faire contrepoids) permet à la lune de tourner sur elle-même. Après des réglages très délicats, la Lune tourne sur elle-même de telle sorte que, comme dans la réalité, nous voyons toujours sa même face.

La Terre, grâce au bras articulé disposant d’une roue avec son moteur, fait alors sa révolution autour du Soleil. Pendant ce même temps, la Terre, inclinée (de 23°), tourne sur elle-même. Nous allons essayer de placer une caméra miniature (« stylo espion ») qui représentera ainsi un terrien, et qui permettra de voir les phénomènes produits par cette maquette autant du point de vue d’un observateur extérieur à cette maquette que pour un observateur « terrien » placé sur la France, non loin de Poitiers.

Des variateurs électroniques (semblables à la première maquette et permettant une accélération des rotations indépendantes les unes des autres) seront également réalisés par les élèves ainsi qu’un câblage général qui permettra à l’arbre fixé sur le soleil de tourner (pour représenter la révolution de la Terre), à la Terre de tourner sur elle-même, et à la Lune de tourner autour de la Terre sur une trajectoire elliptique. L’alimentation se fait par les pistes situées sur le socle portant le soleil. Les élèves ont également travaillé sur les moteurs pour trouver les bons engrenages.

Lors des essais sur cette maquette, les élèves se sont aperçus que les dimensions et la masse de la Terre et de la Lune ne correspondaient pas pour obtenir un fonctionnement optimal. Ils ont donc décidé de remplacer ces astres par des boules fabriquées en papier mâché afin d’obtenir une masse plus légère et une dimension plus adaptée à une meilleure visibilité.

 3- Bilan.

Ce double simulateur représentant " l'ensemble du système solaire actuel " et un gros plan sur « la Terre » s'intègre donc dans la démarche d'une meilleure approche de l'astronomie de terrain.

Ce dernier permet de modéliser et de vérifier les observations. Il se veut être un véritable outil pédagogique. Il permet entre autres d’avoir une meilleure représentation de la réalité. Par exemple, les élèves se rendent compte que les planètes se déplacent toutes à proximité de l'écliptique, que la vitesse des planètes est variable d'une planète à une autre, qu’on peut remarquer que plus une planète est éloignée du Soleil plus elle se déplace lentement, que les planètes ne sont jamais alignées comme elles sont souvent représentées sur les ouvrages, que les éclipses ne sont pas systématiques,….

En plus de leur découverte sur les livres ou Internet du système solaire en général et de la Terre en particulier, les élèves ont acquis des connaissances en électronique ou en technologie. Et l’engouement des jeunes dans ce genre de projet est réel. Effectivement, les élèves restant dans l’atelier en milieu d’année sont très motivés. La plupart sont des élèves n’ayant pas obligatoirement un bon niveau scolaire mais ils se découvrent une passion pour de tels projets et ils travaillent même à la maison pendant les vacances (un élève a emmené deux moteurs à miniaturiser, un autre a emmené le socle avec le soleil afin de fixer le moteur sur la roue, …), ils viennent travailler dès qu’ils ont un moment de libre, et, très vite, prennent conscience de la nécessité d’avoir des connaissances en électricité…