POMPAGE ET STOCKAGE DE L EAU

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1 Corrigé POMPAGE ET STOCKAGE DE L EAU Ce sujet porte sur des connaissances de mécanique et d énergie Question 1 3 pts 1-1 En s aidant des documents A et B Comment appelle-t-on le dispositif mécanique qui permet d obtenir un mouvement alternatif dans la plupart des éoliennes multi-pales? Quel est son rôle? (2 x0,5 pts) Le doc A montre un schéma simplifié d une éolienne multi-pale. On peut y découvrir les différents éléments du dispositif mécanique. Le doc B est une photographie de l intérieur de l éolienne multi pales, le capot étant retiré. A partir du document A, on peut voir que cette éolienne comporte un système biellemanivelle. Cet ensemble permet de transformer un mouvement de rotation en mouvement de translation alternative. La bielle est un élément de liaison entre la roue qui tourne (la manivelle) et l élément de translation (le piston de la pompe) 1-2 Quel est le rôle des engrenages associés à ce dispositif? (0,5 pts) Les engrenages (visibles dans le doc B) sont des pièces permettant la transmission de mouvement (rotation<>rotation) mais en augmentant ou diminuant la vitesse de rotation (transformation de la vitesse) Ainsi, le rapport de transmission (vitesse de sortie/vitesse d entrée) dépend du nombre de dents de la roue menante et de celui de la roue menée (et donc aussi de leur diamètre) La plupart du temps, l'éolienne tournerait trop vite pour la pompe alors on a besoin d'un engrenage pour réduire la vitesse : Un aller-retour de la pompe correspond à plusieurs tours des pales. Rachel Bucaille Afadec Droits de reproduction réservés 1

2 1-3 Représenter la chaîne de mouvement d une éolienne multi-pale lors du pompage (1pts) Vent Énergie cinétique rotation rotor Transmission de mouvement Rotation/translation alternative Bielle manivelle Transmission de mouvement Translation alternative Tige de command e Transmission de mouvement Translation alternative piston Transformation de mouvement 1-4 En s aidant du document C, quelles directions des vents seront favorables pour que l éolienne ait un rendement maximum? (0,5pts) Le haut d'une éolienne multi-pale pivote car la roue doit être exposée au vent pour tourner. Ainsi, quand le vent change de direction, la roue (munie d un gouvernail) doit s'orienter d'ellemême, comme une girouette. Ce principe de l'orientation automatique distingue ce type d'éolienne moulins traditionnels. de la plupart des Le doc C montre un diagramme connus sous le terme «rose des vents» réalisées à partir des observations météorologiques (source Météo France) faites dans la région de Dijon Longvic. Cette rose des vents permet de mieux se faire une idée de la distribution des vitesses (intensité) et des directions du vent, les vents les plus forts soufflant généralement en provenance d'une direction particulière. Les directions, au lieu d'être divisées en 4 (Nord-Sud-Est-Ouest), sont divisées en 36, numérotées de 2 en 2. Ainsi, la direction 18 correspond au Sud, 36 au Nord. Dans chaque direction, les vents sont ensuite divisés en 3 catégories, selon leur vitesse. Les vents faibles (2-4 m/s), représentés par un trait, les vents moyens (5-8 m/s), représentés par un rectangle rouge, et les vents plus forts (>8 m/s), représentés par un rectangle bleu. Dans chaque catégorie de vent, la longueur du trait ou du triangle correspond à la fréquence de ces vents. Une section représentée à droite de la rose montre à quoi correspond 2,2% du temps. Par exemple, prenons la direction 20, soit Sud-Sud-Ouest. 6% des vents viennent de cette direction et ont une vitesse entre 2 et 4 m/s, 5% des vents ont une vitesse comprise entre 5 et 8 m/s, et 1% supérieure à 8 m/s. Rachel Bucaille Afadec Droits de reproduction réservés 2

3 Ainsi, nous pouvons constater que la majeure partie des vents qui soufflent à Dijon provient de 2 directions: De Nord à Nord-Est et de Sud à Sud-Ouest. Question 2 2 pts A partir du document D, repérer l évolution des moyens de pompage à partir du XVIIIème siècle et identifier les sources d énergie utilisées. Le document D, issu d internet montre une évolution historique des différents moyens de pompage. D après le document, 3 évolutions ont été repérées depuis le XVIIIe siècle : Pompe électrique machine de MARLY Antiquité Moyen Age Temps modernes Pompe à piston actionnée par la vapeur Époque contemporaine Machine de Marly : D après le doc D, on apprend que les roues de cette machine sont entrainées par la Seine. La source d énergie est donc l EAU Pompe à piston actionnée par la vapeur : D après le doc D, on peut voir que le système bielle-manivelle est entrainé par la vapeur ; cette vapeur est produite par chauffage de l eau par du charbon (la révolution industrielle). La source d énergie est donc le CHARBON Pompe actuelle : elles sont électriques. L électricité est une forme d énergie. En France, environ -75% de l électricité est issue de centrale nucléaire (source d énergie URANIUM) - 11% est produite par les centrale thermique à flamme (sources d énergie : CHARBON-GAZ ou PETROLE) - 12% est produite par les centrales hydroélectriques (barrages)(source d énergie : EAU) - 2,4 % par d autres méthodes : * panneaux solaires source : SOLEIL * éolienne ; source VENT * usine géothermique (bouillante-guadeloupe) source : CHALEUR de la TERRE Rachel Bucaille Afadec Droits de reproduction réservés 3

4 * usine marémotrice (la Rance) source EAU Question 3 3 pts En s aidant du document E, répondre aux questions : A 3-1 Pourquoi les réservoirs d eau sont-ils construits sur une hauteur? De quoi dépend la pression de l eau de distribution? Le document E, issu d internet présente d une part une trace écrite informative sur le thème des réservoirs d eau et d autre part une illustration d enfant de CE1 illustrant le fonctionnement d un château d eau. B A partir de ces documents, on peut dire que le réservoir d eau remplit une double fonction, constituer un réservoir tampon entre la production d eau et la distribution aux consommateurs et livrer l eau. La production d eau doit se faire le plus régulièrement possible alors que la livraison est soumise à la demande des usagers. Un réservoir d eau est une construction placée en général sur un sommet géographique permettant de stocker de l eau et de fournir le réseau de distribution en eau sous pression, afin qu ils se situent au-dessus du plus haut des robinets à desservir. Le remplissage du réservoir se fait par pompe d alimentation de façon automatique pour maintenir un niveau constant dans le réservoir. Si le terrain ne présente pas de point assez haut, on construit un réservoir surélevé : le château d eau Rachel Bucaille Afadec Droits de reproduction réservés 4

5 70m 20 m CRPE - Sciences et expérimentales et B La distribution de l eau va pouvoir utiliser le phénomène naturel des vases communicants, lorsqu un liquide passe librement de l un à l autre. Lorsque plusieurs vases communiquent entre eux, et contiennent le même liquide, tous les niveaux se trouvent sur un même plan horizontal A L eau est amenée dans le réservoir (château d eau) placé en un lieu élevé, afin que le niveau de la surface libre soit plus haut que les plus hautes maisons de la ville. Elle descend de là par des tuyaux qui courent sous les rues, remonte d elle-même aux étages supérieurs de tous les bâtiments (parce qu elle tend à remonter au même niveau que dans le réservoir). La pression varie selon la situation de l habitation par rapport au château d eau qui l alimente et qui doit se trouver sur un point élevé. La pression de l eau qui est fournie au robinet des abonnés est proportionnelle au dénivelé qui existe entre le niveau d eau dans le château d eau et l habitation : - 10 mètres de dénivelé est équivalent à 1 bar de pression mètres à 2 bars de pression - 30 mètres à 3 bars de pression Les habitations (A) qui se trouvent dans le fond d une vallée auront donc une pression plus élevée que celles qui se trouvent plus haut(b) 3-2 Les avantages d un château d eau (1pts) - Les pompes d alimentation fonctionnent à pression et à débit constants, donc avec à un bon rendement. La consommation en énergie est donc faible. Rachel Bucaille Afadec Droits de reproduction réservés 5

6 - Au niveau de la fiabilité, en cas de panne d électricité (arrêt de la pompe) ou de panne mécanique du pompage, le fonctionnement du réseau continue par gravité. Le château apporte au réseau de distribution une grande sécurité, car il contient en général la consommation d une journée moyenne. - Il permet le maintien de la pression sur le réseau de distribution, tout en autorisant les interventions techniques (réparations) sur la partie amont du réservoir. - En cas de catastrophe (tempête, feux, ) il facilite le maintien de la distribution en eau à moindre coût. Rachel Bucaille Afadec Droits de reproduction réservés 6