• Une bicyclette

Quelques éléments d’histoire de la bicyclette

C’est en 1817 qu’aurait été inventé le premier modèle de bicyclette. Un baron allemand du nom de Karl von Drais aurait fabriqué cet engin auquel il donna le nom de « draisienne ». Il s’en servait pour accomplir son travail d’ingénieur des eaux et forêts qui l’amenait à parcourir de longues distances. Cet engin était constitué de deux roues, d’une poutrelle de bois centrale sur laquelle étaient fixées les roues et d’un support spécial sur lequel le conducteur appuyait sa poitrine. Il n’avait ni chaîne ni pédales ce qui fait que certaines sources ne lui attribuent pas le titre de première bicyclette (Lafferty, 1995). Néanmoins, cet engin était, semble-t-il, assez rapide : il pouvait atteindre 15 km/h (Wilson, 1995). Pour faire avancer la draisienne, on devait s’asseoir à califourchon sur la poutrelle de bois centrale et pousser sur le sol avec ses pieds de part et d’autre de la poutrelle (Royer, 2003).

Pour ceux qui considèrent que cet engin ne constitue pas la première bicyclette, l’honneur d’avoir inventé la première bicyclette revient à Kirkpatrick Macmillan. En 1839, Macmillan aurait ajouté des pédales à une structure se déplaçant sur deux roues. Ces pédales étaient alors fixées sur la roue avant. Par la suite, on inventa le grand bi, une bicyclette munie d’une très grande roue avant afin d’accroître la vitesse de l’engin, puis la bicyclette de sûreté, une bicyclette ressemblant à la bicyclette moderne avec deux roues de même diamètre et dont la propulsion est assurée par une chaîne et des pédales. Beaucoup plus tard, au cours des années 1980, on vit apparaître le premier vélo tout terrain aussi appelé VTT. Il était si reconnu pour sa robustesse et sa légèreté qu’il a conquis le monde entier en quelques années seulement (Wilson, 1995).

Parties et fonctionnement de la bicyclette

Le cadre est la partie principale de la bicyclette. Constitué de 2 triangles, il est le support de la plupart des autres parties de la bicyclette. La fourche, à laquelle sont fixés la roue avant et le guidon, doit être mobile afin de permettre à la bicyclette de tourner. Elle est donc fixée au cadre par un roulement à bille. Ce roulement permet à la roue avant de pivoter lorsque l'on tourne le guidon et ainsi de diriger la bicyclette. 

 Au cadre est également fixée la transmission de la bicyclette. Cette transmission est constituée de pédales, d'engrenages, de dérailleurs et d'une chaîne.  Elle permet au cycliste de transférer l'énergie mécanique des pédales à la roue arrière. L'engrenage auquel sont fixées les pédales se nomme le plateau. Sur plusieurs bicyclettes, on retrouve plusieurs plateaux de différents diamètres. L'engrenage fixé à la roue arrière se nomme le pignon. On peut également retrouver plusieurs pignons de diamètres différents sur une même bicyclette. La chaîne relie le plateau avant au pignon arrière en passant par les engrenages du dérailleur arrière. En pédalant, la rotation du plateau entraîne celle de la chaîne, des pignons et de la roue arrière qui, lorsqu’en contact avec le sol, fait avancer la bicyclette.

Les dérailleurs permettent au cycliste de déplacer la chaîne d’un pignon à l’autre et d’un plateau à l’autre. Ceci a pour effet de modifier le rapport entre les vitesses de rotation des pédales et de la roue arrière. Plus la chaîne se trouve sur un grand plateau et un petit pignon, plus le rapport entre la vitesse de rotation de la roue arrière et celle des pédale est grand, et vice versa. Le cycliste peut donc adapter son effort en fonction de sa vitesse, de la pente et du terrain. Les dérailleurs sont actionnés par des câbles reliés à des manettes situées sur le guidon.

Les freins de la bicyclette fonctionnent également à l'aide de câbles qui relient les poignées de frein du guidon aux mâchoires situées au niveau des roues. Lorsque l’on appuie sur la poignée de frein, les mâchoires se referment sur la roue et exercent une force de friction qui la ralenti ou l’empêche de tourner. Les freins permettent donc au cycliste de ralentir ou de s’arrêter.

Selon Coquidé-Cantor et Giordan (2002), une façon très efficace de comprendre les conceptions initiales des élèves en lien avec la bicyclette est de la leur faire dessiner. Dans ces dessins, les élèves du préscolaire et du 1er cycle du primaire illustrent différentes parties de la bicyclette telles que les roues, les pédales, le cadre et le siège. Par contre, ils ne leur accordent pas encore de fonctionnalité exacte. Ainsi, les pédales semblent jouer le rôle de marche-pied et on ne peut pas observer de relation entre les pédales, la chaîne et la roue arrière. Quelques fois, ces différentes parties ne se touchent même pas. 

Après quelques activités en classe concernant le fonctionnement de la bicyclette, on peut observer une évolution de la représentation du fonctionnement de la bicyclette chez les élèves. « La disposition des éléments techniques s'organise, des notions d'interaction apparaissent (précision au centre du vélo, apparition d'une chaîne permettant la transmission du mouvement, pédales en opposition, roue, jante, pneu, câbles de frein, lien entre le guidon et l'axe des roues...) (p. 130-131) ». Ainsi, les élèves perçoivent mieux l'utilité des différentes parties de la bicyclette et sont capables de comprendre le rôle du cycliste dans le mouvement de la bicyclette.

Préparation des apprentissages

Activité de préparation : La bicyclette dans le monde et les différentes parties de la bicyclette

Intention : Faire réfléchir les élèves sur la structure et les différentes parties de la bicyclette.

Durée : 1 période de 50 minutes

Vous commencez l’activité en présentant aux élèves des images de bicyclettes (ImagesBicyclettes.doc) qui proviennent de partout dans le monde. Cette amorce vise à introduire le sujet, mais également à faire prendre conscience aux élèves des différentes utilisations de la bicyclette à travers le monde et de son importance pour le transport dans bien des pays. Vous pouvez en profiter pour discuter de la vie dans certains de ces pays afin de sensibiliser les enfants aux différences et à la pauvreté.

Pour la suite, vous demandez aux élèves de faire le dessin de leur propre bicyclette. Vous leur demandez alors d’y intégrer tous les détails possibles et, si vous le désirez, vous pouvez leur demander d'y inscrire les noms des parties principales. Ces mots peuvent leur avoir été présentés au préalable sur des mots étiquettes. Vous pouvez à ce moment circuler dans la classe et aider les élèves à orthographier les différents mots proposés pour définir les parties de la bicyclette. Si vous le désirez, certains de ces mots pourraient même être inscrits au tableau ou ajoutés au vocabulaire de la semaine. En circulant, vous pouvez également demander aux enfants de vous expliquer, à l'aide de leur dessin, comment fait leur bicyclette pour avancer. Cela pourra leur faire prendre conscience que certaines parties importantes manquent à leur dessin. Vous recueillerez ainsi les conceptions initiales des élèves en lien avec la structure et les différentes parties de la bicyclette et amorcerez la réflexion sur le fonctionnement de la bicyclette. Pour soutenir les élèves dans leur réalisation, vous pouvez apporter une bicyclette en classe qui servira de modèle aux élèves.

Par la suite, vous pouvez faire un retour en grand groupe et inviter quelques élèves à venir présenter leur dessin à l'avant. Les élèves pourront ainsi voir les dessins des autres et faire leurs commentaires ou poser des questions. Cette partie de l'activité vise à confronter les conceptions initiales des élèves. Le but est de faire réfléchir les élèves au fait que personne n'a dessiné la bicyclette de la même façon. Certains élèves pourront même y voir quelques améliorations à apporter à leur dessin.

Réalisation des apprentissages

Activité de réalisation : Comment fait la bicyclette pour avancer?

Intention : Faire réfléchir les élèves sur un aspect du fonctionnement de la bicyclette.

Durée : 1 période de 50 minutes

Au début de cette période, faites un retour sur les dessins des élèves concernant les différentes parties de la bicyclette. Ces dessins peuvent être affichés dans la classe. Rappelez-leur les mots de vocabulaire pertinents et leur sens. Vous dessinez alors deux roues au tableau et demandez aux élèves volontaires de venir ajouter une partie à la bicyclette. Lorsque ceux-ci ne semblent plus avoir d'idées, vous pouvez leur fournir le schéma d'une bicyclette (SchemaBicyclette.jpg) sur lequel ils pourront s’appuyer ou, encore mieux, apporter une bicyclette en classe. Les élèves pourront alors observer la bicyclette et ajouter les parties manquantes au tableau. Si certaines parties manquent toujours, vous pouvez les ajouter. N'oubliez pas d'ajouter engrenages, chaîne et dérailleurs, car ceux-ci seront utiles à la seconde partie de la période. Vous demandez ensuite aux élèves quelles sont les parties les plus importantes pour faire avancer la bicyclette. On s’attend ici à ce que les élèves mentionnent les roues, les pédales et le guidon. Vous leur annoncez qu’ils auront, en équipes de 2, à répondre à la question : «Lorsque tu appuies sur les pédales de ta bicyclette, tu avances, mais qu’est-ce qui se passe pour que ta bicyclette avance?  Nomme les parties de la bicyclette qui la font avancer et explique leur rôle.» Par groupes de 4, les élèves pourraient venir à l’avant afin d’observer ce qui se passe lorsque l’on appuie sur les pédales de la bicyclette. Pour faciliter le tout, vous n’avez qu’à surélever la roue arrière de la bicyclette sans l’empêcher de tourner ou déposer la bicyclette à l’envers sur le sol. Lorsque les élèves ont terminé de répondre à la question, faites un retour en grand groupe et faites parler chacune des équipes. Si vous le désirez, vous pouvez évaluer les explications des élèves à l'aide de la grille suivante (GrilleEvaluationExplorer.doc). Vous pouvez par la suite compléter les réponses à la question. Servez-vous de la bicyclette placée à l’avant de la classe afin d’illustrer vos propos.

Nous nous attendons ici à ce que les élèves en viennent à comprendre que lorsque l'on fait tourner les pédales de la bicyclette, l'engrenage avant tourne, ce qui fait tourner la chaîne qui actionne l'engrenage arrière puis la roue arrière. L'élève doit donc être en mesure de faire le lien entre les pédales, les engrenages, la chaîne et la roue arrière. Il doit également comprendre que sans une de ces parties, la bicyclette ne pourrait avancer.

Une évaluation pourrait être faite lors de la revue de semaine. Les élèves pourraient avoir à replacer les mots au bon endroit sur un schéma de la bicyclette. Ils pourraient également avoir à dessiner à nouveau une bicyclette en y intégrant les parties qui sont importantes pour faire avancer la bicyclette. Ils pourraient composer une phrase qui explique le rôle de chacune de ces parties pour faire avancer la bicyclette.

Coquidé-Cantor, M. et Giordan, A., 2002. L'enseignement scientifique à l'école maternelle. France : Delagrave éditions, 247 p.

Lafferty, P., 1995. Records, machines et inventions. Paris : Casterman, 46 p.

Royer, A., 2003. Les moyens de transport. France : Éditions Milan, 37 p.

Taylor, Joseph, A., 2001. « Using a practical contexte to encourage conceptual change: an instructional sequence in bicycle science ». School science and mathematics, vol. 101, no. 3. p. 117-124.

Wilson, A., 1995. Transports, une chronologie visuelle. Paris : Éditions du Seuil, 48 p.

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