La chaîne d’énergie d’un objet technique : de la source à l’action

Une perceuse-visseuse sans fil fait tourner un foret. Pour cela, il lui faut de l’énergie, et cette énergie traverse plusieurs constituants, l’un après l’autre, avant d’arriver au foret. Cette suite de constituants s’appelle la chaîne d’énergie.

Chaque constituant a une fonction dans la chaîne :

• stocker ou fournir l’énergie : la batterie (énergie stockée sous forme chimique, puis fournie sous forme électrique pendant la décharge), ou le réseau électrique de la maison (énergie fournie) ;
• distribuer l’énergie, c’est-à-dire la laisser passer ou la couper : un interrupteur, un relais commandé par une carte électronique ;
• convertir l’énergie, c’est-à-dire changer sa forme : le moteur électrique reçoit de l’énergie électrique et fournit un mouvement de rotation ;
• transmettre le mouvement jusqu’à l’endroit utile, en adaptant souvent sa vitesse : engrenages, poulies et courroie, pignons et chaîne ;
• agir sur ce qui doit bouger : le mandrin et le foret, la roue, le vantail d’un portail.

Dans le modèle de fonctionnement étudié, on lit la chaîne dans le sens du flux utile : de la source vers l’élément qui agit. Un système réel peut comporter des branches, des stockages ou plusieurs modes de fonctionnement ; le schéma décrit le mode annoncé.

Les formes d’énergie à connaître : électrique, cinétique (l’énergie d’un objet en mouvement), potentielle, thermique (liée à l’état thermique ; la chaleur est un transfert d’énergie), lumineuse. Le programme demande de savoir dire, pour quelques constituants, quelle forme d’énergie entre et laquelle sort :

Une lampe et un moteur peuvent aussi dissiper de l’énergie vers le milieu sous forme de transferts thermiques. La part correspondante dépend du dispositif ; ce n’est pas l’effet utile recherché dans les exemples du tableau.

Qui commande l’interrupteur ? Dans la perceuse, c’est ton doigt sur la gâchette. Dans un portail motorisé, c’est un relais, lui-même commandé par une carte électronique qui a reçu l’ordre de la télécommande. Cette carte, la télécommande, les capteurs de fin de course appartiennent à une autre chaîne : la chaîne d’information. Elle ne fournit pas l’énergie qui fait bouger le portail ; elle décide quand l’énergie doit passer.

Un objet technique automatique comporte donc deux chaînes reliées : la chaîne d’information donne des ordres au constituant qui distribue l’énergie, et la chaîne d’énergie fournit la puissance qui agit.

Transmettre n’est pas convertir. Dans le schéma fonctionnel de transmission étudié, l’entrée et la sortie utiles restent mécaniques. Les engrenages, courroies ou chaînes peuvent modifier vitesse, couple et sens. Cela n’exclut pas des pertes thermiques dans un mécanisme réel. Après la sortie électrique de la batterie, le moteur est le bloc auquel ce schéma attribue la fonction de conversion électrique vers mécanique. La batterie réalise elle aussi une conversion physique entre stockage chimique et alimentation électrique ; les pertes ne sont pas toutes représentées.

Des flux d’énergie. Entre la batterie et le moteur, l’énergie circule sous forme électrique, par des fils. Entre le moteur et le foret, elle circule sous forme mécanique, par des arbres et des engrenages qui tournent. Repérer ces flux, c’est indiquer, sur chaque liaison entre deux blocs, la forme de l’énergie qui passe.

Dossier fictif. Un objet sur batterie entraîne une petite roue. Une fiche attribue à la batterie la fonction « stocker », au moteur « convertir » et aux engrenages « transmettre ». Une seconde fiche prétend que la première interdit toute conversion dans la batterie. Les deux fiches décrivent le même objet en décharge.

1. Distinguer fonction et phénomène. La première fiche sélectionne une fonction de stockage pour organiser son schéma. Cela n’est pas une description complète des phénomènes internes du constituant.

2. Suivre les formes. Pendant la décharge, l’énergie stockée sous forme chimique permet une fourniture électrique au circuit. Le moteur reçoit une puissance électrique et fournit une puissance mécanique utile, avec des pertes dans le dispositif réel.

3. Conclure dans le cadre donné. La seconde fiche déduit à tort une absence de conversion à partir du seul nom de fonction. Un même constituant peut participer à plusieurs phénomènes. Sans schéma du montage, cette analyse ne permet pas de fixer l’ordre de tous les blocs ou de déduire un rendement numérique.

Contrôle. Une catégorie fonctionnelle sert à répondre à la question du schéma ; elle ne remplace pas le bilan physique de l’objet.

On représente une chaîne d’énergie par un schéma bloc : un rectangle par constituant, une flèche par flux d’énergie, et sur chaque flèche la forme de l’énergie qui passe.

Pour la perceuse-visseuse sans fil, le schéma se lit de gauche à droite :

batterie (stocker) → énergie électrique → interrupteur à gâchette (distribuer) → énergie électrique → moteur (convertir) → énergie mécanique de rotation → réducteur à engrenages (transmettre) → énergie mécanique de rotation → mandrin et foret (agir sur la vis ou le matériau)

Sous le bloc du moteur, une petite flèche descendante rappelle les pertes. Une dissipation peut augmenter l’énergie interne du moteur et sa température ; des transferts thermiques vers le milieu ont aussi lieu. La chaleur désigne un transfert, pas une énergie stockée dans le moteur.

Ce qu’il faut lire sur ce schéma : les flux utiles dessinés après la batterie sont électriques jusqu’au moteur, puis mécaniques. Ce choix de fonctions ne nie ni la conversion interne de la batterie, ni les pertes et l’alimentation de l’électronique qui ne sont pas détaillées ici.