Comment les contraintes sont-elles prises en compte dans la conception d’un objet technique?





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date de publication12.02.2017
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En classe de quatrième



La classe de quatrième aborde les systèmes automatiques. La fonction principale de tout système pluri technique est d’apporter une valeur ajoutée à un flux de matières, de données, et/ou d’énergies. Pour chacun de ces trois flux, un ensemble de procédés élémentaires de stockage, de transport et de conversion est mis en œuvre pour apporter la valeur ajoutée au flux entrant. On peut donc distinguer deux parties au sein des systèmes, l’une agissant sur les flux de données, appelée chaîne d’information, l’autre agissant sur les flux de matières et d’énergies, appelée chaîne d’énergie.


Comment le contexte historique et géographique influe-t-il sur la conception ?


Historique et géographie des solutions techniques - Durée indicative : 2 séances
Cette séquence a pour but de faire percevoir à l’élève que plusieurs objets techniques portant la même dénomination ont pu évoluer différemment en fonction de l’évolution des besoins et des technologies liées à l’époque et/ou au lieu où ils ont étés conçus ou installés.

Capacités



Pistes d’investigation possibles

Lien entre l’évolution des solutions techniques et l’évolution du besoin.

Lien entre l’évolution des solutions techniques et l’évolution des technologies (non mécanisé  mécanisé  automatisé et informatisé)…
Activités possibles

Rechercher et collecter des informations sur la toile, sur DVD, dans les livres, chez les constructeurs ou les distributeurs (date de création…)…

Comparer les fonctions assurées, les principes techniques utilisés – Observer et manipuler le ou les objets présents dans le laboratoire.

Identifier les choix artistiques…

Supports possibles

Le téléphone : il permet de mettre en évidence l’évolution des besoins en téléphonie liée à l’évolution des technologies.

Un store : exemple de système mis en mouvement à l’origine par une manivelle, donc qualifié de non-mécanisé, puis devenu automatisé.

Connexion à internet - À l’origine : Ligne téléphonique bas débit - Pour plus de rapidité : ADSL et Fibre optique - Pour connexion à distance : Wifi et carte 3G…

Comment les contraintes sont-elles prises en compte dans la conception d’un objet technique?

Prise en compte des contraintes dans la conception - Durée indicative : 2 séances



Cette séquence a pour but de faire percevoir à l’élève que plusieurs objets techniques portant la même dénomination devant répondre au même besoin peuvent utiliser des principes et/ou des solutions techniques différentes dues aux contraintes technico-économiques différentes que l’objet doit respecter.

Capacités




Pistes d’investigation possibles

Choix des solutions techniques en fonction des contraintes technico-économique.

Deux produits en apparence identique et/ou assurant la même fonction ont des prix différents et/ou utilisent des matériaux différents. Le respect de l’environnement impose l’utilisation de matériaux recyclables.
Activités possibles

Rechercher et collecter des informations sur la toile, sur DVD, dans les livres, chez les constructeurs ou les distributeurs (date de création,…)… - Comparer les fonctions assurées, les principes techniques utilisés – Observer et manipuler le ou les objets présents dans le laboratoire – Identifier les types de matériaux – Identifier les choix artistiques…

Supports possibles

Implantation d’un panneau photovoltaïque en tenant compte de l’inclinaison nécessaire pour capter un maximum de soleil; porte de garage pouvant empiéter à l’intérieur ou à l’extérieur du garage lors de l’ouverture, portail automatisé dont les battants s’ouvrent en translatant ou en tournant (Choix en fonction des contraintes de fonctionnement et de sécurité) ;

Dispositif assurant la sécurité des enfants autour d’une piscine ;

Barrière, volet roulant électrique, bâche, alarme volumétrique, alarme infrarouge ;

Ordinateur constitué de composants en majorité recyclables …


Quelle est la source d’énergie extérieure utilisée par l’objet technique et quel est l’élément qui permet de la convertir ?

Source d’énergie, conversion d’énergie - Durée indicative : 3 séances



En s’appuyant sur l’analyse d’objets techniques différents, on identifiera les actionneurs et on définira les principale caractéristiques (tension, intensité, pression, couple, force, vitesse, luminosité…) des grandeurs d’entrée et de sortie.

Capacités



Pistes d’investigation possibles

Des objets techniques à chaîne d’énergie « courte » (chaîne d’énergie se réduisant à l’actionneur et l’effecteur) assurent la même fonction et utilisent la même énergie, pourtant les actionneurs sont différents.

On augmente la surface d’appui d’un fluide et on augmente l’effort.

Ce sont tous des moteurs et pourtant ils sont différents : ils sont de tailles différentes, fonctionnent en courant continu ou en courant alternatif, fonctionnent à des tensions différentes…

Ces deux ampoules produisent la même quantité d’énergie lumineuse pourtant celle avec des diodes consomme moins que celle incandescente.

Constitution physique (circuit électrique constituant les moteurs, étanchéité nécessaire dans un vérin, guidage nécessaire au bon fonctionnement).

Matériaux utilisés et utilisables.

Deux objets techniques semblent identiques pourtant l’un produit de l’énergie, l’autre en consomme.

Activités possibles

Identifier des éléments de conversion de l’énergie sur des systèmes différents - Manipuler, démonter le ou les objets supports d’étude - Choisir l’outil adapté en fonction de la caractéristique que l’on veut mesurer - Effectuer des mesures sur l’objet technique en utilisant un protocole de test adapté – Réaliser une maquette d’un système en remplaçant le vérin par des seringues de diamètres différents et mesurer l’effort là où d’habitude on applique la main - Remplacer une alimentation à pile par une alimentation à panneaux solaires sans diminution des performances - Valider le choix d’un matériau par comparaison avec d’autres mis dans la même situation - Identifier les composants sur un croquis …

Supports possibles

Ouvre – portail (Comparaison entre deux ouvres portails. L’un dont l’actionneur est un moteur utilisant l’énergie électrique et fournissant l’énergie mécanique de rotation à un bras fixé au battant, le second utilisant un vérin intégrant un compresseur (moteur + pompe) consommant également de l’énergie électrique en entrée).

Moteur et micromoteur de téléphone portable (vibreur), de baladeur, de lecteur CD, de lecteur DVD.

Voiture télécommandée à piles.

Éclairage à lampes incandescentes ou à diodes.

Éolienne et ventilateur.

Afficheur, résistance chauffante. Lampe de poche à leds.

Par quoi et comment est transmise et/ou transformée l’énergie dans un objet technique ?

Transmission et/ou conversion de l’énergie - Durée indicative : 4 séances



Dans cette séquence, en s’appuyant sur l’analyse d’objets techniques différents, on identifiera et analysera les performances (comparaison énergie entrée / énergie sortie) des différents constituants transmettant ou transformant l’énergie.

Capacités



Pistes d’investigation possibles

Caractérisation de la transformation de mouvement entre l’entrée et la sortie de la chaîne.

La maîtrise de la vitesse : régulation, variation.

Deux chaînes de transmission sont en apparence identiques pourtant l’une fonctionne, l’autre non car il y a trop de frottements.

Matériaux utilisés et utilisables.

Activités possibles

Représenter le flux d’énergie sur une représentation de l’objet technique ou d’un schéma -Identifier des éléments de transmission, de transformation de l’énergie - Manipuler, démonter le ou les objets support(s) d’étude.

Observer l’évolution du flux d’énergie dans l’objet technique en fonctionnement - Filmer un objet technique en fonctionnement - Comparer deux objets techniques « proches » - Choisir l’outil adapté en fonction de la caractéristique que l’on veut mesurer sur la chaîne d’énergie. Effectuer des mesures sur l’objet technique en utilisant un protocole de test adapté – Utiliser des logiciels - Assembler réellement ou virtuellement des éléments permettant de réaliser une fonction voulue – Rechercher des informations sur la toile…

Supports possibles

Supports pouvant conduire à des comparaisons intéressantes :

Éolienne et ventilateur - Hydropulseurs à dents (220v et 12v)

Autres supports possibles :

Distributeur de nourriture pour poissons, interrupteur programmable - robot ménager, parabole orientable - distributeur de dominos (jeu d’enfants) - servomoteur de chauffage (asservi l’ouverture d’un robinet de chauffage central en fonction du thermostat externe) - lecteur de DVD – scanner – Pédale lumineuse de vélo …


Par quoi et comment sont réalisées l’acquisition et la transmission de l’information ?

Acquisition et transmission de l’information - Durée indicative : 4 séances



Dans cette séquence, on se concentre sur la notion de capteur qui permet l’acquisition de l’information et on s’intéresse aux composants qui renvoient des ordres à la chaîne d’énergie.

Il s’agit simplement d’identifier la nature d’une information et du signal qui la porte sans rentrer dans le fonctionnement de ce capteur.

Capacités



Pistes d’investigation possibles

Repérage des capteurs contenus dans les objets proches de l’environnement de l’élève : télécommande à infrarouge d’une télévision, télécommande d’ouverture de portes d’automobile, alarmes, radars, détecteur de fumée ou de mono-oxyde de carbone, commande d’éclairage avec capteur de présence couplé à une temporisation, blue-tooth, WIFI, … les signaux détectés associés (infrarouge, ondes radio…)… les distances de détection…

Principe de fonctionnement d’une balance de pesée, d’un appareil photographique…

Les différentes fonctions d’une station météorologique pour la maison, d’un anémomètre, d’une balance de pesée, d’un écouteur de bébé… et les différents éléments assurant ces fonctions…

Les circuits d’alimentation et les circuits d’information d’un GPS d’automobile, d’un portail photo-électrique avec vidéo sans fil…

Les modes et les dispositifs d’acquisition de données d’un capteur d’haleine, d’un scanner, d’un robot aspirateur…

Grandeur mesurée et grandeur renvoyée pour un distributeur automatique de savon, de nourriture, une poubelle à ouverture automatique, un thermomètre…

Activités possibles

Représenter le flux d’informations sur une représentation de l’objet technique - Identifier les éléments permettant d’assurer la fonction « acquérir » - Identifier et utiliser une interface homme-machine ou d’interconnections – Identifier la nature des grandeurs physiques captées – Décrire par schéma-blocs une décomposition structurelle – Identifier les éléments porteurs de l’information – Établir les liaisons physiques entre l’élément de traitement et les différents périphériques.

Supports possibles

Système de surveillance (détecteur de mouvement, détecteur de fumée, détecteur d’ouverture,…) - Balance de pesée – Ministepper ; Réseau internet ou intranet - HF – WIFI ; Scanner ; Suiveur automatisé (système équipé de capteurs permettant de repérer la position du soleil au cours de la journée et d’orienter en conséquence un panneau solaire afin d’améliorer le rendement de celui-ci) ...


Par quoi et comment est régulée l’énergie pour améliorer le confort de l’utilisateur ?

Régulation du milieu ambiant - Durée indicative : 2 séances



Dans cette séquence, on s’intéresse aux moyens qui permettent de réguler l’ambiance (température, hygrométrie…) afin de réduire les agressions dues au froid, au chaud, à la lumière, au volume sonore, à l’air ambiant…

La relation avec le développement durable est à mettre en évidence à cette occasion.

Capacités



Pistes d’investigation possibles

Les systèmes régulés de l’environnement proche de l’élève.

Matériaux utilisés et utilisables – économie d’énergie, développement durable.

Mesures (température, consommation électrique, volume sonore, luminosité…) - Echanges thermiques.

Activités possibles

Indiquer le flux d’énergie sur une représentation de l’objet technique ou d’un schéma - Identifier des éléments de transmission, de transformation de l’énergie - Manipuler, démonter le ou les objets support(s) d’étude - Observer l’évolution du flux d’énergie dans l’objet technique en fonctionnement - Filmer un objet technique en fonctionnement - Comparer deux objets techniques proches de l’environnement de l’élève - Choisir l’outil adapté en fonction de la caractéristique que l’on veut mesurer sur la chaîne d’énergie - Effectuer des mesures sur l’objet technique en utilisant un protocole de test adapté – Utiliser des logiciels - Assembler réellement ou virtuellement des éléments permettant de réaliser une fonction voulue – Rechercher des informations sur la toile…

Supports possibles

Climatiseur, radiateur électrique, chauffage domestique, humidificateur, purificateur d’air… Sonde thermostatique d’un robinet de radiateur appartenant à un circuit de chauffage.


Par quoi et comment est commandé un objet technique ?

Commande ou pilotage - Durée indicative : 4 séances



Au cours de cette séquence, après avoir identifié l’élément (automate, carte électronique) permettant la commande d’un système pluri technique, on analyse ou on modifie un programme simple utilisant un langage graphique à partir duquel est généré automatiquement le programme à implanter dans le système. On peut mettre en évidence le type de pilotage utilisé en fonction du domaine d’application : domaine industriel (utilisation d’automates) ; domaine « grande diffusion » (carte électronique avec éventuellement un composant programmable, un microcontrôleur par exemple).

Capacités



Pistes d’investigation possibles

Identification des éléments de commande ou de pilotage - Matériaux utilisés et utilisables - Mode manuel ou automatisé.

Activités possibles

Manipuler, démonter le ou les objets support(s) d’étude - Choisir l’outil adapté en fonction de la caractéristique que l’on veut mesurer sur la chaîne d’information - Effectuer des mesures sur l’objet technique en utilisant un protocole de test adapté – Utiliser des logiciels - Assembler réellement ou virtuellement des éléments permettant de réaliser une fonction voulue – Rechercher des informations sur l’internet… - Relier une carte électronique à ses différents périphériques et tester le fonctionnement - Implanter un programme dans un automate et tester le fonctionnement - Modifier une partie du circuit de commande et en observer les conséquences - Observer le fonctionnement d’un système automatisé afin d’identifier la succession des étapes.

Supports possibles

Supports ou maquettes équipés d’un automate : pilotage d’un ascenseur, d’une barrière…

Supports équipés d’une carte électronique : électroménager (four, lave linge, lave vaisselle, balance…) - système de sécurité (serrure électronique, alarme) – Jouet - Bureautique (agrafeuse, perforatrice) - Arrosage automatique.


Comment gérer un projet de conception et la réalisation d’un système automatisé ?

Conception et réalisation d’un système automatique - Durée indicative : 6 séances



Certaines capacités et connaissances citées ci-dessous auront été abordées durant l’année au cours des différentes activités de réalisation effectuées au cours de chaque centre d’intérêt. Il peut paraître intéressant de toutes les utiliser (réutiliser) lors d’une réalisation (un projet) permettant de faire le lien entre tous les centres d’intérêt.

Capacités





Pistes d’investigation possibles

À partir de solutions techniques identifiées (par exemple pour automatiser un ouvre barrière) les élèves mènent une analyse de la mise en œuvre de cette solution technique (recherche d’informations et/ou de solutions sur l’Internet, documentation technique, brainstorming).

La planification de la mise en œuvre est imaginée et la réalisation de ces solutions permet de comparer et/ou valider les planifications imaginées.

L’automatisation de plusieurs systèmes différents peut donner lieu à la même démarche.

Activités possibles

Rechercher et collecter des informations sur la toile, sur DVD, dans les livres, chez les constructeurs ou les distributeurs…

Supports possibles

Sous forme de projets : Système de captage, système de protection de piscine (enrouleur-dérouleur de bâche de piscine), jet d’eau, robot suiveur de ligne …




Sites pouvant servir de support aux professeurs pour la mise en œuvre du programme de 4°:
www.cnr-cmao.ens-cachan.fr

www.cerpet.adc.education.fr (filière électronique, filière microtechnique,…)




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