PREPARATION A L EPREUVE TECHNIQUE POUR CONDUCTEURS DE MANOEUVRE. version juin version février 2014

Transcription

1 PREPARATION A L EPREUVE TECHNIQUE POUR CONDUCTEURS DE MANOEUVRE version juin 2011 version février 2014

2

3 Cher candidat conducteur de manœuvre, En tant que conducteur de manœuvre vous jouez un rôle essentiel au sein de la SNCB. Vous êtes un garant de la sécurité pour nos clients. Vous veillez également à ce que nos voyageurs arrivent à destination dans les temps. Vous devez savoir faire face à des imprévus et parfois réparer des petites pannes. Bref, vous êtes fasciné par la conduite des trains et vous suivez de près les nouvelles technologies. A la séance d information, on vous expliquera tout sur la sélection, la formation et le travail du conducteur de manœuvre. Attention : pendant toute la procédure de sélection vous serez évalué sur votre motivation, votre comportement, vos facultés de raisonnement et de compréhension, ainsi que sur vos connaissances techniques (mécanique, électricité et pneumatique) telles que précisées dans le programme de l épreuve. Avec cette brochure nous voulons vous aider à rafraîchir ou approfondir vos connaissances techniques. Nous vous souhaitons bonne chance et espérons vous accueillir dès que possible en tant que nouveau collègue. Je vous prie de recevoir mes salutations ir. H. Raddoux

4

5 Table des matières - Page 1 Table des matières PARTIE 1 : MÉCANIQUE Qu est-ce que la mécanique comprend? Statique Force Moment d une force Couple de forces Conditions générales d équilibre Cinématique Caractéristiques d un mouvement Mouvement rectiligne uniforme Dynamique Relations entre force, masse et mouvement Pesanteur Masse et poids Travail mécanique Puissance mécanique... 7 PARTIE 2: ÉLECTRICITÉ Qu est-ce que l électricité comprend? Unités électriques Tension Courant Résistance Courant continu et alternatif Loi d Ohm Travail électrique Puissance électrique L effet Joule Court-circuit PARTIE 3 : PNEUMATIQUE Qu est-ce que la pneumatique comprend? Pression Applications dans les véhicules ferroviaires... 15

6

7 Page 1 PARTIE 1 : MÉCANIQUE 1 Qu est-ce que la mécanique comprend? La mécanique comprend l étude de l équilibre et du mouvement des corps. 2 Statique 2.1 Force Une force peut avoir différentes origines : force produite par les muscles, par le vent, par l eau, par l électricité, par la pesanteur, etc... Une force (F) a 4 caractéristiques : un point d application. C est le point où agit la force ; une direction. C est la ligne suivie par le point d application de la force lorsque le corps se déplace. Cette ligne est appelée la ligne d action ; un sens. Suivant la direction, le corps peut se déplacer à gauche, à droite, vers le haut ou vers le bas ; une grandeur. Le grandeur d une force s exprime en Newton (N). Une force F est représentée par un vecteur: le point O est le point d application de la force ; d la force se fait dans la direction d ; F le sens est défini par la flèche ; la longueur du vecteur est une O représentation de la grandeur ou de l intensité de la force (p. ex. : 1 cm = 1 N). 2.2 Moment d une force Si une force est exercée sur un corps, il peut commencer à tourner. Pensons par exemple à l ouverture d une porte ou le serrage d une vis. Nous exerçons un moment qui les fait pivoter. M d F La vitesse de rotation, dépend des facteurs suivants : l intensité de la force (F) ; le point d application de la force. Plus la distance (d) entre le centre de rotation et le point d application est grande, moins la force exigée est élevée ; la direction de la force.

8 Page 2 Le moment (M) d une force par rapport à un axe est le résultat de la multiplication de l intensité de cette force par la distance mesurée perpendiculairement qui sépare l axe et la ligne d action de la force, à condition que la force se trouve dans un plan perpendiculaire à l axe de rotation. M = F x d M : moment (Nm) F : force (N) d : distance perpendiculaire (m) Le moment (M) d une force autour d un point est le résultat de la multiplication de l intensité de cette force par la distance mesurée perpendiculairement entre le point et la ligne d action de la force. L unité de moment est le Newtonmètre (Nm). Ci-dessous la figure montre le moment dans 3 situations différentes. dans la figure de gauche il y a une force de 150 N qui actionne à une distance de 100 mm de l axe de rotation. Il y a donc pour le moment : M = 150 N x 0,1m = 15 Nm dans la figure centrale il y a une force de 600 N qui actionne à une distance de 50 mm de l axe de rotation. Il y a donc pour le moment : M = 600 N x 0,05 m = 30 Nm dans la figure de droite, la distance perpendiculaire entre la direction et le centre de rotation est égale à zéro. Le moment est donc égal à zéro et l écrou ne tourne pas : M = 300 N x 0 m = 0 Nm 150 N 600 N 15 Nm 30 Nm 0 Nm 300 N 100 mm 2.3 Couple de forces 50 mm 100 mm Deux forces parallèles et de même intensité ayant des lignes d actions différentes ainsi que des sens opposés forment un couple de forces (T). Un couple cause une rotation. Pense par exemple à un tire-bouchon. F d F Le moment du couple est égal au résultat de la multiplication F x d, il est indépendant du centre de rotation.

9 Page 3 L unité du couple de forces est, comme pour le moment, le Newtonmètre (Nm). 2.4 Conditions générales d équilibre Un corps est en équilibre statique lorsque : la somme de toutes les forces qui agissent sur le corps est nulle ; la somme des moments de toutes les forces qui agissent par rapport à un point est nulle. 3 Cinématique 3.1 Caractéristiques d un mouvement A La trajectoire La trajectoire est la ligne parcourue par un corps qui se déplace. La distance qui est parcourue est le chemin parcouru. Le chemin parcouru (s) s exprime en mètre. B Le temps Un corps bouge ou se déplace pendant un certain temps (t). Le temps s exprime en seconde (s). C La vitesse La vitesse (v) d un mouvement est le chemin parcouru pendant l unité de temps. s v = t La vitesse s exprime en m/s. 1 m/s=3,6 km/h. Il y a: v : vitesse (m/s) s : distance parcourue (m) t : temps (s) km 1000 m 3,6 = 3,6 x = 1 m/s h 3600 s Un train qui circule à 160 km/h parcourt une distance de 160 = 44,4 mètres par seconde. 3,6 D L accélération L accélération (a) d un mouvement est la valeur de l augmentation de la vitesse par unité de temps. a = Δv t a : accélération (m/s²) Δv : augmentation de la vitesse (m/s) t : temps (s)

10 Page 4 L augmentation de la vitesse est la différence entre la vitesse initiale et la vitesse finale : Δ v : augmentation de la vitesse (m/s) Δ v = v finale v initiale v finale : vitesse finale (m/s) : vitesse initiale (m/s) v initiale L accélération peut être positive ou négative : si la vitesse augmente, il y a une accélération. L accélération est positive ; si la vitesse baisse, il y a un ralentissement. L accélération est négative. L unité d accélération ou de ralentissement est le m/s². Un train circule à 160 km/h et freine jusqu à l arrêt avec un ralentissement constant a=-0,5 m/s². Après combien de temps le train s arrête-t-il? 160 km/h La vitesse de 160 km/h correspond à v = = 44,4 m / s. 3,6 m/s Δv 0 m/s 44,4 m/s 44,4 m/s t = = = = 89 s. a 0,5 m/s² 0,5 m/s² 3.2 Mouvement rectiligne uniforme Un mouvement rectiligne uniforme est un mouvement rectiligne dont la vitesse est constante. Il s agit pour ce mouvement : a = 0 a : accélération (m/s²) v : vitesse (m/s) v = constant s : distance parcourue (m) s = v x t t : temps (s) Un train circule à 90 km/h : combien de temps faut-il pour parcourir 5750 m? quel est le chemin parcouru après 750 s? Le train roule à 90 km/h ou 90 v = = 25 m / s. 3,6 Le temps nécessaire pour parcourir 5750 m : s 5750 m t = = = 230 s. v 25 m / s Le chemin parcouru après 750 s : s = v x t = 25 m / s x 750 s = m.

11 Page 5 4 Dynamique 4.1 Relations entre force, masse et mouvement Une force est l origine d une accélération. La conséquence est de la même nature et proportionnelle à l origine. F = m x a F : force (N) m : masse (kg) a : accélération (m/s²) Déterminez la force nécessaire afin d accélérer à 4 m/s² un objet d une masse de 15 kg? F = m x a = 15 kg x 4 m / s² = 60 N. Une force de 50 kn accélère un objet avec 0,2 m/s². Déterminez la masse de cet objet? : La masse du train : F 50000N m = = = kg = 250 tonnes a 0,2m / s² 4.2 Pesanteur La pesanteur est la force avec laquelle les objets sont attirés vers la terre. Si un corps est lâché d une certaine hauteur, il va accélérer uniformément sous l influence de la force de la pesanteur. La valeur de l accélération due à la pesanteur (g) n est pas constante en tous les points du globe. Dans nos régions, la valeur de g est de 9,81 m/s². La pesanteur est donc : F = m x 9,81 F : pesanteur (N) m : masse (kg) Avec quelle force un objet ayant une masse de 5 kg est-il attiré vers la terre? F = m x 9,81 = 5 kg x 9,81m/s² = 49,05 N. Pour simplifier les calculs, g est souvent arrondi à 10 m/s².

12 Page Masse et poids La masse d un corps est le rapport de la force appliquée au corps à l accélération que cette force lui communique. La masse correspond à la quantité de matière. La masse est exprimée en kilogramme (kg). F m = a m : masse (kg) F : force (N) a : accéleration (m/s²) Cette expression montre que lorsque la force est constante, l accélération est d autant plus petite que la masse du corps est grande. Le poids est la pesanteur qu un objet subit. Le poids s exprime en Newton. Une locomotive a une masse d environ 85 tonnes ou un poids de N. Une personne a une masse de 80 kg ou un poids de 800 N. 4.4 Travail mécanique Le travail mécanique est le produit de la force appliquée et du déplacement engendré par cette force. W : travail (J) W = F x s F : force (N) s : déplacement (m) Le travail s exprime en Joule (J). 1 J=1 N x m. Il faut de l énergie pour produire du travail. L énergie est la faculté de produire du travail. Une locomotive tire une série de wagons avec une force de 150 kn et les déplace sur une distance de 20 km. Quel est le travail fourni par la locomotive? W = F x s = N x m = J = 3000 MJ. Quelle est la valeur du travail fourni pour mettre un sac de 10 kg sur une table qui est haute de 1 m? W = F x s = 100 N x 1m = 100 J.

13 Page Puissance mécanique La puissance est égale au travail par unité de temps. P = W t P : puissance (W) W : travail (J) t : temps (s) La puissance s exprime en Watt (W). 1 W=1 J/s. Deux ouvriers transportent chacun 30 kg de briques à une hauteur de 5 m. L un a mis une minute pour effectuer ce travail, le second a réalisé le même travail en deux minutes : déterminez le travail que chaque ouvrier délivre? déterminez la puissance que chaque ouvrier délivre? Les deux ouvriers ont fourni un travail identique : W = F x s = 300 N x 5 m = 1500 J. L ouvrier qui transporte les briques en une minute, développe la plus grande puissance: W 1500 J P = = = 25J/ s = 25 W. t 60 s L ouvrier qui transporte les briques en deux minutes, développe une puissance : W 1500 J P = = = 12,5J/ s = 12,5 W. t 120 s Une locomotive moderne fournit une puissance d environ 5 MW au maximum. La centrale nucléaire de Tihange fournit une puissance de 3 GW au maximum.

14 Page 8 PARTIE 2 : ÉLECTRICITÉ 1 Qu est-ce que l électricité comprend? Tous les objets autour de nous sont constitués de particules : les atomes. Chaque atome est constitué à son tour de particules encore plus petites. Quelques-unes ont une charge électrique. L électricité est l étude du mouvement des charges électriques. L unité de charge électrique est le Coulomb (C). 2 Unités électriques 2.1 Tension L état électrique d un corps est caractérisé par un potentiel. Ce potentiel est une mesure de l énergie qu une charge possède. Entre 2 pôles, il y a une différence de potentiel. On définit les deux pôles par un pôle positif (+) et un pôle négatif (-). Dans + V les schémas électriques, une source de tension continue est indiquée comme ci-contre. - La tension (U) est la différence de potentiel entre deux pôles. La tension s exprime en Volt (V). Il est convenu que le potentiel de la surface de la terre est égal à 0 V. Un objet mis à la terre signifie que celui-ci est connecté électriquement avec la surface de la terre. Ainsi le potentiel de l objet est égal à 0 V. Une pile pour une lampe de poche a une tension de 1,5 V (tension continue). La tension d une batterie pour le démarrage et les services d une voiture particulière est le plus souvent de 12 V (tension continue). L éclairage d une voiture de chemin de fer fonctionne avec une batterie de 24 V, 72 V ou 110 V (continu). Les réseaux publics sont alimentés en 230 V (tension alternative). Les caténaires de la SNCB sont généralement alimentées en 3000 V (tension continue).

15 Page Courant Le courant est la quantité de charge électrique qui circule dans un circuit par unité de temps. Q I = t I : courant(a) Q : charge électrique(c) t : temps(s) Le courant s exprime en Ampère (A). 1 A=1 C/s. Un courant de 1 A signifie qu il y passe une charge de 1 C par seconde. Il circule un courant dès que 2 points entre lesquels il existe une tension sont connectés par un conducteur. Il est convenu que le courant circule du pôle positif vers le pôle négatif. Le courant qui circule dans une ampoule de 75 W alimentée à une tension de 230 V est d environ 0,3 A. Le courant consommé par un moteur de traction d un véhicule ferroviaire est de 400 à 800 A maximum. Un courant de 0,025 A peut déjà être mortel. 2.3 Résistance La résistance (R) est une mesure de la difficulté avec laquelle le courant circule V R I R Dans les schémas électriques, une résistance est indiquée comme ci-contre. La résistance s exprime en Ohm (Ω). Chaque matière a sa propre résistance. Un conducteur de courant électrique a une résistance basse, les matières isolantes ont une grande résistance. Les métaux sont généralement de bon conducteurs. Les plastiques ont une très grande résistance, de sorte que, le passage du courant est pratiquement inexistant. Ils sont isolants. La résistance d un fil de cuivre d une section de 1 mm² et d une longueur de 1 m, est égale à 0,017 Ω. La résistance du fer est environ 6 fois plus élevée.

16 Page 10 3 Courant continu et alternatif Le courant continu circule toujours dans le même sens. Un courant alternatif est un courant qui change périodiquement de sens. Les tensions et courants alternatifs utilisés dans l industrie varient comme dans le graphique ci-dessous. stroom courant temps tijd stroom courant T temps tijd courant gelijkstroom continu courant wisselstroom alternatif La période (T) est le temps, exprimé en seconde, qui sépare deux instants pendant lesquels le courant a la même valeur et reprend le même sens. Par fréquence (f), nous comprenons le nombre de périodes par seconde ou 1 f : fréquence (Hz) f = T T : période (s) La fréquence est exprimée en Hertz (Hz). En Europe, la fréquence standard est de 50 Hz. La période est de 0,02 s. 4 Loi d Ohm Le courant dans un conducteur est proportionnel à la tension appliquée aux extrémités de ce conducteur. Ce rapport constant est appelé la résistance. U U : tension (V) = R I : courant (A) I R : résistance (Ω) Quel est le courant qui circule dans le circuit cicontre? U 16V I = = = 4 A R 4Ω?? A Ω 16 V

17 Page 11 Dans une résistance de 5 Ω, il circule un courant de 3 A. Quelle est la tension aux bornes de cette résistance? U = R x I = 5 Ω x 3 A = 15 V. 5 Travail électrique Le travail électrique (W) fourni par un courant continu est égal au produit de la tension par l intensité du courant qui passe en un point donné pendant un temps donné. W = U x I x t Le travail est exprimé en Joule (J). 1J=1 V x x A A x (=1 s (=1 Nm). N x m) W: travail (J) U : tension (V) I : courant (A) t : temps (s) Il faut de l énergie pour produire du travail. L énergie est la faculté de produire du travail. 6 Puissance électrique La puissance est le travail fourni par unité de temps. P = W t La puissance est exprimée en Watt (W). 1 W=1 J/s. P : puissance (W) W: travail (J) s : temps (s) Parce que U x I x t W = U x I x t et que P = nous pouvons déduire que t P : puissance (W) P = U x I U : tension (V) I : courant (A) La consommation est mesurée en kilowattheure (kwh). 1 kwh correspond à une consommation de 1000 W d énergie pendant 1 heure. Parce qu une heure comprend 3600 s, 1 kilowattheure est égal à J ou 3,6 MJ. Quelle est la puissance d une locomotive qui consomme 200 A? La tension des caténaires est de 3000 V. P = U x I = 3000 V x 200 A = W = 600 kw.

18 Page 12 Un train de marchandises de 1300 tonnes circulant entre Anvers et Athus consomme environ 8300 kwh. C est plus que la consommation électrique moyenne d une famille en deux ans. Quel travail faut-il fournir pour maintenir allumée une ampoule de 60 W pendant une heure? Quel est le courant qui passe par l ampoule en supposant qu elle est alimentée en 230 V? W = U x I x t = P x t = 60 W x 3600 s = J = 216 kj. P 60 W I = = = 0,26 A. U 230 V 7 L effet Joule Le dégagement de chaleur est un effet généralisé dans les appareils électriques. Un conducteur parcouru par un courant électrique dégage de la chaleur. Ce phénomène est appelé effet Joule. La puissance électrique dissipée en chaleur n est pas transformée en puissance mécanique. La grandeur de cette puissance est donnée par la formule: P = R x I² P : puissance (W) R: résistance (Ω) I : courant (A) Le dégagement de chaleur peut être utile et souhaité. Les appareils de chauffage, les fourneaux et les séchoirs en sont des exemples. Quelle est la puissance transformée en chaleur dans un moteur de traction qui consomme un courant de 150 A pendant le démarrage. La résistance totale est de 20 Ω. P = R x I² = 20 Ω x (150 A)² = W = 450 kw. Quel est l avantage d alimenter les caténaires SNCB en 3000 V au lieu de 1500 V? Quel est en le désavantage?

19 Page 13 La puissance électrique consommée par une locomotive est égale à U x I. Pour transmettre une certaine puissance : P en cas de caténaires alimentées en 3000 V, il y circule un courant I = ; 3000 V P en cas de caténaires alimentées en 1500 V, il y circule un courant I =. Par effet 1500 V Joule (P=R x I²), le dégagement de chaleur sera 4 fois plus grand. Cette chaleur ne peut plus être transformée en énergie mécanique. L avantage de l alimentation en 3000 V est donc l efficacité de la distribution de l énergie (moins d énergie perdue sous forme calorifique). Le désavantage comprend des exigences beaucoup plus élevées pour l équipement d isolation. 8 Court-circuit Un court-circuit est une connexion de résistance très basse entre 2 points où il y a une tension électrique. Le courant passe toujours par le trajet qui présente la plus petite résistance. L intensité élevée du courant a pour conséquence un grand dégagement de chaleur par l effet Joule. Les conducteurs et les matières isolantes fondent. + - I R La résistance normale d un surgélateur est de 415 Ω, la résistance des fils en cas de courtcircuit n est que de 0,25 Ω : quel est le courant qui circule en régime normal? quel est le courant qui circule en cas de court-circuit? Le courant en régime normal : U 230 V I = = = 0,55 A. R 415 Ω Le courant en cas de court-circuit : U 230 V I = = = 920 A! R 0,25 Ω Tous les circuits électriques doivent être munis d un appareil de protection afin d éviter les avaries et les incendies. Un fusible est un appareil de protection qui est souvent utilisé. Il est constitué d un fil calibré (très fin et de résistance connue). En cas d intensité trop élevée, par exemple en cas de court-circuit, ce fil calibré chauffe et fond. De cette façon le circuit est interrompu automatiquement.

20 Page 14 PARTIE 3 : PNEUMATIQUE 1 Qu est-ce que la pneumatique comprend? La pneumatique comprend l étude des gaz comprimés (souvent l air), et l étude de divers appareils fonctionnant à l aide d air comprimé. 2 Pression La pression (p) est égale à la force par unité de surface. F p = A La pression est exprimée en Pascal (Pa). 1 Pa = 1 N/m². p : pression (Pa) F: force (F) A : surface (m²) La pression d air moyenne au niveau de la mer est de Pa (= 1013,25 hpa). Autrement dit, la masse de l air dans l atmosphère exerce une force de N par m² de surface. Dans les applications techniques, la pression est souvent exprimée en bar. 1 bar est égal à Pa. 1 bar est donc environ égal à la pression d air moyenne au niveau de la mer. Une masse de 10 kg se trouve sur une table. Quelle est la pression de la masse sur la table si la surface de contact est de 10 cm²? F 100 N p = = = Pa. A 0,001m² piston La pression d air dans un cylindre de frein d une locomotive est de 4 bar. La surface du piston est de 0,1256 m². Quelle est la force maximale du piston? 4 bar correspondent à 4 x Pa = Pa. Cette pression exerce une force égale à : F = p x A = Pa x 0,1256 m² = N.

21 Page 15 3 Applications dans les véhicules ferroviaires Une grande partie de l équipement d un véhicule ferroviaire est actionnée par de l air comprimé ; c est le cas notamment pour : actionner les freins ; actionner les pantographes ; actionner les portes ; actionner les interrupteurs ;...

22

23 Annexe Page 1 Annexe I : Ordres de grandeur et unités Nano Micro Milli Centi Déci Déca Hecto Kilo Méga Giga Ordres de grandeur n x 0, μ x 0, m x 0,001 c x 0,01 d x 0,1 da x 10 h x 100 k x 1000 M x G x Unités distance masse temps force moment, couple travail, énergie puissance pression m kg s N Nm J W Pa mètre kilogramme seconde Newton Newtonmètre Joule Watt Pascal : L unité de force est le Newton Newton est égal à: 1 kilonewton ou 1 kn; 0,001 méganewton ou 0,001 MN; 100 décanewton ou 100 dan.

24 Annexe - Page 2 Annexe II : Questions d exemple épreuve technique Remarque: Plusieurs réponses peuvent être correctes. Les solutions se trouvent en bas. Question 1: Une locomotive tire une série de wagons avec une force de 200 kn et les déplace sur une distance de 1 km. Quel est le travail fourni par la locomotive? a) 20 MW b) 20 MJ c) 200 MW d) 200 MJ Question 2: Un courant alternatif de 50 Hertz: a) a une période de 0,02 secondes. b) a une période de 0,50 secondes. c) a une fréquence de 50 Hertz. d) a une fréquence de 0,02 Hertz. Question 3: Un objet exerce une pression de 2000 Pa sur la terre. La surface de contact est de 0,2 m². Quelle est la masse de cet objet? a) 10 kg b) 40 kg c) 400 kg d) 1000 kg : Question 1: d W = F x s = N x 1000 m = J = 200 MJ Question 2: a,c 1 1 T = = = 0,02 s f 50 Hz Question 3: b F = p x A = 2000 Pa x 0,2 m² = 400 N C est le poids de l objet. Il y a pour la masse: F 400 N m = = = g 10 m/s² 40 kg

25

26 Destination mieux