1. Présentation du travail à réaliser

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1 1. Présentation du travail à réaliser 1.1. Présentation du support d étude Le support de ce TP est la radio FREEPLAY. Freeplay Energy est à l'origine d'une nouvelle technologie et d'une nouvelle industrie, celle de la Self-Power Generation. Freeplay conçoit et produit des appareils fonctionnant de manière totalement autonome afin de donner le pouvoir à tout individu de faire fonctionner une radio, une lampe torche et d'autres produits dans l'avenir, où qu'il soit et à tout moment. Un mécanisme à remontoir breveté pouvant être appliqué à une multitude d'appareils électriques permet aujourd'hui de sortir les peuples africains de l'isolement ou de changer votre roue de voiture en pleine nuit, quelque soit l'état des piles de votre lampe torche. Freeplay Energy s'est lancé dans l'histoire de l'énergie autonome il y a quelques années afin de permettre aux pays africains en voie de développement de ne plus être coupés du monde pour faute de piles ou d'électricité, en mettant à leur disposition une radio fonctionnant grâce à l'énergie humaine et l'énergie d'un ressort, tout simplement en tournant une manivelle. Aujourd'hui, les produits Freeplay sont adaptés à un consommateur affirmant son autonomie, soucieux de son environnement et sensible au design des objets qui l'entourent. Ils n'utilisent pas de piles jetables, peuvent fonctionner en tout lieu et à tout moment, et leur look aux couleurs translucides en font des produits de nouvelle génération très 'tendance' Problématique Nous allons, au cours de ce TP, observer et chercher à comprendre les solutions techniques utilisées pour transmettre et transformer l énergie mécanique humaine en énergie électrique Matériel utilisé Nous utiliserons dans ce TP la radio démontée pour observer les différentes pièces du mécanisme et leur architecture. La radio en état de fonctionnement, pour effectuer les différentes mesures. Un tachymètre optique permettant de mesurer la vitesse de rotation d un solide en rotation ici en repérant la fréquence de passage d un élément réfléchissant. Lycée Claude Bernard Document réponse 1

2 2. Travail demandé 2.1. Décomposition de la chaîne d énergie Lire le Dossier Ressources, et en particulier les diagrammes FAST. Les solutions techniques, choisies par le constructeur pour disposer d un poste de radio autonome du point de vue énergétique sont donc d utiliser Soit la force humaine Soit l énergie photovoltaïque provenant du soleil pour recharger les accumulateurs électriques. Nous nous intéressons aujourd hui qu à la Fonction Contrainte «Être alimentée par l énergie humaine». Cette Fonction de Service fait apparaître une chaîne d énergie qui va de la main de l opérateur (Energie Mécanique de Rotation) à la batterie (Energie Electrique). Le ressort est un composant spécial, dans lequel entre et sort de l Energie Mécanique de Rotation. Cependant, il permet, comme une batterie accumule de l énergie électrique, d accumuler quant à lui une sorte d énergie mécanique que l on nomme Energie Potentielle. Compléter le schéma ci-dessous à l aide du diagramme FAST de FC1. ALIMENTER DISTRIBUER TRANSMETTRE TRANSMETTRE CONVERTIR Ensemble Manivelle Tendre le ressort en lui transférant de l énergie mécanique Energie humaine mécanique de rotation Lycée Claude Bernard Document réponse 2

3 2.2. Fonction technique : «Tendre le ressort» Observation en tournant la manivelle Se munir de la radio non démontée. Faire tourner la manivelle dans le sens horaire (5 tours environ). Observations : On entend un bruit de cliquet. Les roues dentées tournent dans le sens horaire. On remonte le ressort. Les roues dentées tournent dans le sens trigonométrique. Il est impossible de tourner la manivelle dans le sens trigonométrique. On entend aucun bruit. On entend un bruit de moteur. Les roues dentées ne tournent pas. Conclusion : La manivelle est liée au ressort en rotation dans le sens horaire Observation manivelle lâchée On dit qu une roue tourne dans le sens horaire lorsqu elle tourne dans le sens des aiguilles d une montre. Elle tourne dans le sens trigonométrique lorsqu elle tourne dans le sens opposé. On appelle engrenage extérieur un mécanisme constitué de deux roues dentées qui engrènent l une sur l autre. On appelle train d engrenages un mécanisme constitué de plusieurs engrenages «en série», dont les axes de rotation sont parallèles entre eux. Dans cette photo de la partie arrière interne du poste FreePlay on distingue bien : les trois roues dentées, formant des engrenages, Roue 3 Roue 2 Roue 1 la courroie d entraînement de la dynamo (génératrice de courant continu) Lâcher la manivelle. Lycée Claude Bernard Document réponse 3

4 Nom-Prénom : Cocher ce que vous observez. La manivelle ne tourne pas. Les roues dentées ne tournent pas. Le ressort se détend. On entend un bruit de cliquet. La manivelle tourne dans le sens anti-horaire (trigonométrique). Seule la roue dentée blanche tourne. Toutes les roues dentées tournent. On entend le bruit de la rotation. Conclusion : Les trois pièces, manivelle - roue dentée - ressort, sont donc liées en rotation dans le sens trigonométrique (vue du côté de la manivelle). La manivelle est liée au ressort dans les deux sens de rotation. Le ressort est lié à la roue dentée 1 uniquement dans le sens trigonométrique (vue côté manivelle) Solution technique Ouvrir le poste de la radio démontée. Retirer la roue dentée noire n 2 Retirer la roue dentée blanche n 1. Observer la pièce noire qui est restée solidaire du ressort, et qui était cachée par la roue dentée n 1. S et S étant les sommets de deux dents successives, O étant le centre de la roue noire, donc OS et OS étant des axes radiaux, dessiner sur le schéma les dents de sommet S et S 1. 1 Diamètre intérieur 21,7mm 1 cm Echelle : Diamètre 28 mm Observations : Lycée Claude Bernard Document réponse 4

5 Les deux faces de la dent sont situées de part et d autre de l axe OS. L une des faces de la dent est située sur l axe OS. Les deux faces de la dent sont situées du même côté de l axe OS. Quelle est la partie de la roue à cliquets qui peut être en contact avec les dents de la pièce noire étudiée précédemment? L angle au sommet des dents de la pièce noire solidaire du ressort est aigu pour permettre l accrochage (et donc l entraînement) des dents élastiques de la roue dentée n 1. Grâce à cette solution anti-retour, il est possible : - de remonter le ressort sans entraîner les engrenages, - de laisser le ressort se détendre en entraînant les engrenages. Il est important de n entraîner les engrenages que dans un sens convenu car la dynamo pour fournir de l énergie électrique au poste de radio doit toujours tourner dans le sens horaire Fonction Technique : «Transmettre une énergie mécanique de rotation en adaptant la vitesse de rotation» Sens de rotation des pièces en mouvement Vous utiliserez ici le poste de radio en état de fonctionnement, en le regardant par derrière. Remonter le ressort (5 tours environ), puis lâcher la manivelle (le petit fil rouge doit être enclenché entre les deux bornes rouges pour ralentir la vitesse de rotation). Observer dans quel sens tournent les roues dentées 1, 2 et 3? Roue Horaire 1 Trigonométrique Roue Horaire 2 Trigonométrique Roue Horaire 3 Trigonométrique Lycée Claude Bernard Document réponse 5

6 Nom-Prénom : Sens de rotation de la dynamo : Dynamo Horaire Trigonométrique Conclusion : Dans une transmission par engrenage extérieur le sens de rotation est : Conservé (identique) Inversé Conclusion : Dans une transmission par courroie le sens de rotation est : Conservé (identique) Inversé Synthèse On appelle contact extérieur le contact qui a lieu entre les deux roues dentées d un engrenage extérieur Compter le nombre N de contacts extérieurs dans le poste de radio N =.. Rayer la réponse fausse Rayer la réponse fausse Donner la parité de ce nombre (pair ou impair) : N est Compléter les phrases ci-dessous par pair ou impair : 1 - Le sens de rotation de la roue de sortie est le même que celui de la roue d entrée, donc le nombre contacts extérieurs est. 2 - Le sens de rotation de la roue de sortie est le contraire de celui de la roue d entrée, donc le nombre contacts extérieurs est. Représenter le sens de rotation de la dernière roue dentée du train d engrenages ci-contre Etude du rapport de transmission d un seul engrenage Nous utiliserons ici la dynamo en état de fonctionnement. On note en Sciences de l Ingénieur par la lettre ω la vitesse de rotation d un solide, en tr/min la plupart du temps. Lycée Claude Bernard Document réponse 6

7 Nom-Prénom : Nous étudions le rapport de transmission entre les roues 2 et 3. Nous ferons deux mesures, pour deux vitesses de rotation différentes : Fil rouge enlevé (vitesse rapide) Fil rouge en place (vitesse lente) Remonter le ressort (50 tours maximum), puis laisser tourner le mécanisme. Vitesse de rotation Faible (fil roue en place) Forte (fil rouge ôté) Sens de rotation Vitesse de rotation en tr/min Roue dentée 2 Roue dentée 3 Vitesse de rotation Faible (fil roue en place) Rapport de transmission ω3 r = ω 2 Forte (fil rouge ôté) Le tableau ci-dessous donne les nombre de dents des roues 2 et 3 constituant l engrenage étudié précédemment : Roue dentée Nombre de dents Roue 2 87 Roue 3 14 Z2 Valeur du rapport : = Z3 Lien entre ω Z2 et ω3 Z : 2 3 Conclusion Pour un engrenage extérieur, le rapport entre les vitesses de rotation de deux roues dentées est égal au rapport inverse des nombres de dents de ces mêmes roues dentées affecté d un signe négatif. Lycée Claude Bernard Document réponse 7