La physique abordée
– Mécanique classique (chute des corps)
– Electronique : utilisation de cartes Arduino pour mesurer et émettre des signaux lumineux avec des LEDs
L’histoire en deux mots
Les étudiants incarnent une équipe de l’agence spatiale européenne. Ils découvrent qu’ils doivent assister à distance un vaisseau spatial qui vient d’atterrir sur une comète inconnue.
INTRODUCTION
EPREUVE : LACHER DE SMARTPHONE
Le matin
L’épreuve consiste à fabriquer une protection pour pouvoir laisser tomber un objet fragile de haut en suivant le protocole GH12. Du matériel frugal est fourni, et les étudiants travaillent en groupe.
Le vaisseau leur envoie ce message (adapter si besoin la hauteur de chute et la durée de l’épreuve) :
“ok, on vient de poursuivre l’exploration, et on a repéré un trou. Oui ! Un véritable trou dans le sol. Il fait un ou deux mètres de diamètre, et une profondeur de 5 mètres en gros. Il est entouré d’une zone très acide qu’on ne peut pas traverser et probablement toxique. Mais on veut voir ce qu’il y a dans ce trou à tout prix !
On a bien réfléchi, et ce qu’on peut faire, c’est envoyer un de nos smartphones dedans en mode caméra. En tombant, il pourra filmer ce qu’il y a autour et en bas, puis on récupèrera le signal par le bluetooth. Tant pis si on en sacrifie un, ça vaut le coup.Bref, on a besoin de vous pour nous aider ! Attention, on a peu d’autonomie, on ne peut pas rester plus de 2 heures sur la comète . Donc envoyez nous d’ici 1h30 un protocole à suivre pour protéger le smartphone et lui permettre de tomber et filmer ce qu’il y a autour de lui. Attention, pas possible d’utiliser de corde à cause de la zone acide. On peut juste venir près du trou, lancer le smartphone, et repartir en courant dans une zone protégée.
On vous suggère de suivre un protocole GH12, c’est ce qui nous semble le plus raisonnable et on a tout le matériel ici du kit C2309 donc si vous arrivez à le faire sur Terre, on y arrivera ici aussi !
Bon courage, on compte sur vous !”
Choisir parmi 2 versions du protocole GH12 à donner aux étudiants :
– une version simple, la seule consigne est que l’œuf résiste à la chute.
– une version plus évoluée, qui demande aux étudiants de faire une analyse vidéo de la chute pour évaluer les forces de frottements de l’air.
Ne pas hésiter à ajuster les contraintes en fonction de vos étudiants et de vos objectifs, par exemple :
– la caméra doit pouvoir filmer la chute, ce qui oblige les étudiants à ralentir la chute (fixer une durée minimum)
– une fois le dispositif au sol, il faut être sûr que la caméra ait une orientation précise (pour filmer dans la bonne direction).
Cette activité peut être plus ou moins poussée selon les contraintes que vous imposez :
– tracking de la chute par analyse vidéo (utilisez l’application Fizziq par exemple)
– imposez une contrainte de temps minimum et d’orientation pendant la chute afin de filmer celle-ci.
Déroulé typique :
Temps de fabrication des dispositifs : 1h30 – Les étudiants conçoivent par groupe un dispositif, le testent, l’améliorent.
Test final : 20 à 30 mn : tous les groupes, les uns après les autres (ou tous en même temps si le temps est compté), testent en grandeur réelle leur dispositif (le laissent tomber d’une hauteur d’environ 5 m) et on vérifie si les conditions émises par le protocole sont vérifiées. Pour ce test, le smartphone est remplacé par un œuf : il faut que l’œuf soit intact à la fin de la chute. L’ensemble des étudiants doit se mettre d’accord alors sur le dispositif à envoyer aux astronautes (prendre en photo plan et appareil qu’on envoie au vaisseau spatial).
En option : si on veut éviter de choisir entre les différents dispositifs (pour éviter des tensions de compétitions), on envoie les plans de tous les dispositifs aux astronautes ainsi que leur résultat au test, et on dit que ce seront eux qui choisiront en fonction de leurs contraintes locales (matériel, combinaisons spatiales, …)
Si vous avez beaucoup d’étudiants : des groupes de 3 / 4 étudiants fonctionnent bien. Si les groupes sont plus grands, on peut prévoir des fonctions de rédacteur de tutoriel : quelques étudiants prennent en charge la rédaction d’un mode d’emploi pour fabriquer le dispositif. On peut insister sur le caractère important de ce document et son devoir de clarté. Sinon, des photos suffisent pour communiquer avec les astronautes. Si les groupes sont plus grands, prévoir une activité d’analyse de trajectoire qui soit prise en charge par quelques étudiants.
Matériel : Le kit C2309
Ce sont ce dont les astronautes disposent. Il peut être modifié en fonction de vos stocks. Il s’agit de petit matériel de bricolage, la liste proposée (au format pd et ppt) a été testée et fonctionne mais peut être modifiée facilement. Idéalement, il faudrait que chaque groupe ait un kit C2309 à sa disposition, mais en pratique le plus simple est de mettre le matériel à disposition dans la salle. Les quantités disponibles sont alors plus importantes que ce qui est indiqué dans le kit (on peut avoir 100 pailles, même si le kit indique que les astronautes n’en n’ont que 10) : il faut que les groupes fassent attention à ne pas dépasser les quantités dans leur dispositif (mais plusieurs groupes peuvent utiliser 10 pailles).
Matériel bricolage : en plus du kit, prévoir cutters, ciseaux, pistolets à colle, pinces, matériel de protection et de nettoyage : tapis de découpe, bâches plastiques, sacs poubelle, balais… Il faut également prévoir des œufs pour le test final.
TRANSITION
Le vaisseau indique au bout d’un certain temps (temps propice pour une petite pause ou du rangement) :
“Ca y est ! On a réussi à faire le montage que vous nous avez recommandé. On est parti et on a lancé la caméra. Ca a marché !!! Bravo ! Trop fort les gars sur Terre ! On vous envoie le film qu’on a récupéré.”
Montrer la vidéo « MO T2 » https://youtu.be/2LIr9OTkvhE chute à la première personne d’un smartphone, puis arrivé en bas, on devine une présence extérieure qui s’empare du smartphone (on entend même quelques mots en extraterrestre).
Ensuite, communication avec le vaisseau :
“Vous avez vu et entendu ??? Incroyable ! Quelqu’un a pris la caméra ! Il y a une présence vivante en bas qui semble parler. Il faut absolument qu’on essaye de communiquer. On ne sait pas trop en quoi ou comment. Si c’est un humain ou une présence vivante intelligente, le plus simple, c’est de la lumière et du morse, en espérant qu’ils connaissent assez la Terre pour connaître ce protocole de base.
Bon, on a des arduinos et de quoi faire un câble long ici. Mais on n’y connaît rien à Arduino. Pouvez-vous, d’ici 2 heures, nous envoyer un mode d’emploi pour comment s’y prendre ? On est parti sur un protocole AR22 clairement. Faîtes vite, mais testez tout avant de nous l’envoyer.
Bon courage, le temps est compté, et le destin de l’humanité est peut-être entre vos mains…”
EPREUVE : ARDUINO ET CODES LUMINEUX
L’après-midi
Dans cette épreuve, les étudiants doivent concevoir d’abord un système de LED qui émette n’importe quelle succession de ON et OFF et si possible un autre système qui le détecte.
Puis ils doivent tester qu’ils arrivent bien, entre eux, à se transmettre et décoder un code secret genre SOS en morse (pas besoin par défaut de programmer la traduction morse, les étudiants indiquent direct à la LED quand éclairer ou pas).
En option : on choisit le prototype qui marche le mieux et on le câble avec une distance de câble plus grande (5 mètres) et on sépare les étudiants (deux pièces différentes, ou bien en haut et en bas d’une fenêtre) et on donne un code à un des groupes, à l’autre de le décoder.
Donner aux participants le lien vers le protocole AR22.
Déroulé pratique de l’épreuve :
Il faut prévoir les kits Arduino en nombre suffisant : carte Arduino (Uno par exemple), Led, résistance, capteur de lumière (analogique de préférence, c’est plus simple). Prévoir également une bobine de fil (préférer des câbles avec plusieurs fils, pour faciliter les manipulations de grandes longueurs), et du matériel de soudure et des pinces coupantes.
Si les étudiants n’ont jamais utilisé de cartes microcontrôleur, il faut leur faire un cours introductif. Un enseignant joue le rôle de « spécialiste Arduino » et vient former l’équipe au minimum vital : il explique rapidement le principe d’une carte microcontrôleur, et donne comme mission les cartes “tester votre carte”, “allumer une led” et “mesurer une tension” du site opentp.fr (http://opentp.fr/card/). Pour des étudiants qui ont des connaissances en programmation et ont fait un peu d’électricité, 30 minutes suffisent.
Selon les étudiants et les objectifs, des contraintes supplémentaires peuvent être ajoutées (“contraintes supplémentaires émises par l’équipe opérationnelle”)
– changer la longueur du câble
– imposer un débit rapide en émission et en réception des signaux lumineux
– imposer un codage/décodage en morse par le microcontrôleur
L’épreuve finit par une séance collective de tests et démonstrations. Les étudiants doivent ensuite se mettre d’accord ensemble quel est le meilleur prototype et l’encadrant annonce qu’il envoie le plan et des photos au vaisseau aussitôt
EPILOGUE
Le vaisseau indique au bout d’un certain temps (temps propice pour une petite pause ou du rangement) :
« Ça y est ! On a réussi à faire le montage Arduino que vous nous avez recommandé. On a pu envoyer le câble au fond du trou. Voici ce qu’on a récupéré comme signal. Incroyable…”
montrer vidéo MO E2 : https://youtu.be/Xt4diAMGlAU on voit au départ une sorte de signal lumineux sur fond de cratère, et ça enchaîne sur un message d’E.T. qui les salue puis générique de fin (on peut ajouter au générique le nom des participants, élèves et profs).