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Dans cette leçon, tu vas comprendre d’où vient l’énergie des objets techniques et comment elle circule pour rendre un service utile. Tu vas apprendre à distinguer source d’énergie, forme d’énergie et fonction d’usage, puis à analyser le fonctionnement d’un objet grâce à la chaîne d’énergie. Tu vas aussi réfléchir à l’efficacité et à la sobriété énergétique dans les usages du quotidien.📚
Quand un objet technique fonctionne, il éclaire, se déplace, chauffe ou met quelque chose en mouvement. Rien ne se produit sans énergie. D’où vient cette énergie, comment circule-t-elle dans l’objet, et comment permet-elle de rendre un service utile à l’utilisateur ?
Tout d’abord, un système ou objet technique a toujours besoin d’énergie, et parfois d’informations pour fonctionner. Un objet technique est conçu pour répondre à un besoin. Ce besoin se traduit par une fonction d’usage, qui exprime le service rendu à l’utilisateur. Par exemple, un ventilateur rend le service de rafraîchir une personne en faisant circuler de l’air, et une lampe rend le service d’éclairer un espace.
Pour assurer cette fonction d’usage, l’objet a besoin d’énergie. Cette énergie provient toujours d’une source d’énergie, c’est-à-dire l’élément matériel qui fournit l’énergie à l’objet. Une prise électrique, une pile, une batterie ou le corps humain peuvent être des sources d’énergie.
Il est essentiel de distinguer la source de la forme d’énergie. La forme d’énergie désigne la nature de l’énergie, par exemple électrique, chimique, mécanique ou thermique. Elle ne correspond pas à une action, mais au type d’énergie mis en jeu.
Dans une lampe de poche, la pile est la source d’énergie et l’énergie stockée est de l’énergie chimique, qui sera transformée lors du fonctionnement. Dans un ventilateur branché, la prise est la source et l’énergie fournie est de l’énergie électrique. Dans le cas du corps humain, la personne est la source d’énergie, mais l’énergie utilisée par l’objet est de l’énergie mécanique produite par les muscles. Cette énergie mécanique résulte de la transformation de l’énergie chimique contenue dans les aliments.
Identifier clairement la source, la forme d’énergie et la fonction d’usage permet de comprendre ce que l’objet doit faire et avec quelle énergie.
À retenir : La fonction d’usage décrit le service rendu à l’utilisateur. Pour assurer ce service, l’objet utilise une énergie fournie par une source identifiable. Cette énergie correspond toujours à une forme précise, comme chimique, électrique ou mécanique.
Lorsque l’énergie entre dans un objet technique, elle suit un flux d’énergie, c’est-à-dire le déplacement de l’énergie à l’intérieur de l’objet, depuis son entrée jusqu’à l’action produite. Pour analyser ce parcours, on utilise en technologie un modèle simplifié, appelé chaîne d’énergie, qui permet de comprendre le fonctionnement des objets sans entrer dans des détails techniques complexes.
La chaîne d’énergie comporte quatre fonctions, toujours organisées dans le même ordre :
Les ordres provenant de la chaîne d’information conduisent à distribuer l’énergie, à la convertir et enfin à la transmettre. La fonction convertir est directement liée à la fonction d’usage, car c’est à cette étape que l’énergie devient réellement utile pour rendre le service à l’utilisateur. L’énergie mécanique correspond alors à une énergie liée au mouvement ou à la position d’un élément, comme une rotation ou un déplacement.
Tous les objets techniques ne possèdent pas forcément une transmission mécanique. Certains objets simples, comme une lampe, convertissent directement l’énergie électrique en énergie lumineuse sans transmission mécanique intermédiaire.
À retenir : La chaîne d’énergie est un modèle d’analyse utilisé en technologie. Elle décrit le parcours de l’énergie selon les fonctions alimenter, distribuer, convertir et transmettre. Tous les objets ne possèdent pas forcément une transmission mécanique.
Prenons l’exemple d’un ventilateur électrique.
La fonction d’usage du ventilateur est de faire circuler de l’air pour rafraîchir une personne. La source d’énergie est la prise électrique, qui fournit de l’énergie électrique.
La chaîne d’énergie peut alors être décrite de bout en bout. L’énergie est d’abord alimentée par la prise électrique. Elle est ensuite distribuée par l’interrupteur ou le sélecteur de vitesse, qui autorise le passage de l’énergie et peut en adapter l’intensité. L’énergie est ensuite convertie par le moteur électrique en énergie mécanique de rotation. Enfin, cette énergie mécanique est transmise par l’axe du moteur aux pales, qui tournent et déplacent l’air.
Toute l’énergie fournie n’est pas utilisée pour rendre le service attendu. Une partie de l’énergie est utile, celle qui permet la rotation des pales et le déplacement de l’air, et une autre partie est dissipée, par exemple sous forme de bruit ou de chaleur due à l’échauffement du moteur.
À retenir : La chaîne d’énergie permet d’analyser un objet du début à la fin. Chaque fonction correspond à une étape précise du parcours de l’énergie. Une partie de l’énergie rend le service attendu, tandis qu’une autre est dissipée.
Un objet technique est plus efficace énergétiquement lorsque la plus grande part de l’énergie fournie est utilisée pour rendre le service attendu, et que les pertes sont limitées. Les pertes d’énergie correspondent à l’énergie dissipée sous forme de chaleur, de bruit ou de frottements.
La sobriété énergétique consiste à utiliser moins d’énergie pour rendre le même service. Cela peut passer par des choix d’usage, comme utiliser un ventilateur à une vitesse adaptée au besoin, éteindre un appareil lorsqu’il n’est pas utilisé, ou concevoir des objets équipés d’un arrêt automatique pour éviter les consommations inutiles.
Comprendre la chaîne d’énergie permet donc de mieux analyser le fonctionnement des objets techniques et de réfléchir à une utilisation plus responsable de l’énergie.
À retenir : Toute chaîne d’énergie comporte des pertes. Limiter ces pertes améliore l’efficacité énergétique. La sobriété énergétique consiste à rendre le même service en consommant moins d’énergie, grâce à de bons choix techniques et d’usage.
De manière générale, on retrouve 5 composants dans une chaîne d’énergie, survenant à partir d’une source d’alimentation en énergie :
Il s’agit des composants les plus fréquents, toutefois il n’est pas nécessaire qu’ils soient tous présents. Le principe est le même pour toute centrale électrique : convertir une source d’énergie en énergie électrique.
Pour un appareil électroménager, le but est différent : on convertit de l’énergie électrique en énergie mécanique, électromagnétique ou encore thermique (produire de la chaleur).
Chaque chaîne d’énergie débute avec une source d’énergie (ou énergie d’entrée) qui peut être de type solaire, thermique, éolienne, électrique, hydraulique, géothermique ou hydrolienne.
La fonction “Alimenter” se traduit par le fait de récupérer l’énergie dans sa forme brute afin d’alimenter l’objet technique en question. Cette action peut se faire par le biais d’une prise électrique ou d’une pile électrique, par exemple.
On distingue deux types d’énergie électrique :
Cependant, il est important de noter que certains objets techniques, comme les appareils électroménagers, n’ont pas toujours besoin de la fonction de stockage. Dans certains cas, l’énergie récupérée est ensuite stockée pour une utilisation ultérieure. Cette fonction consiste à fournir de l’énergie au système. Pour cela, on peut avoir recours à une batterie, un réservoir ou encore un accumulateur. Les batteries électriques sont l’exemple le plus courant, mais il existe aussi d’autres moyens comme les ressorts mécaniques, l’air comprimé, ou les réservoirs de carburant qui stockent de l’énergie chimique. Les composants responsables de cette fonction sont souvent des prises électriques, des câbles, ou des panneaux solaires dans le cas des systèmes autonomes. Le stockage d’énergie permet de l’accumuler pour une utilisation ultérieure.
Une fois que l’énergie est insérée dans l’appareil, il faut ensuite la distribuer aux différents composants (appelés actionneurs) de l’objet. La fonction « distribuer » assure l’acheminement de l’énergie vers les différentes parties du système où elle sera utilisée. Deux cas de figure se présentent : l’énergie est distribuée en tout ou rien (le mot technique, c'est commutation) ou alors envoyée graduellement. Quoi qu’il arrive, le but est de répartir l’énergie de façon contrôlée.
Ce sont bien souvent les fameux câbles électriques composés de cuivre qui permettent cette distribution d’énergie.
On a récupéré l’énergie et elle a été distribuée vers les actionneurs. L’énergie doit souvent être convertie en une autre forme pour être utilisable par le système. C’est bien, mais cette énergie électrique doit être convertie en énergie mécanique (ou autre type d’énergie) afin de faire fonctionner notre objet technique ! Les convertisseurs d’énergie, comme les moteurs électriques, les radiateurs, ou les panneaux photovoltaïques, remplissent cette fonction.
C’est là qu’interviennent les moteurs, les dynamos, les résistances chauffantes… On peut identifier deux types de moteurs électriques, afin de s’adapter aux deux types de courants (continu ou alternatif) et qui portent le même nom :
Nous arrivons enfin à la dernière étape qui consiste à délivrer l’énergie mécanique (ou force mécanique) via des mécanismes (les mots sont bien faits, quand même 😉 !), jusque dans les composants qui permettent d’effectuer l’action finale. La dernière étape consiste à transmettre l’énergie convertie pour effectuer l’action désirée.
Afin de mieux visualiser ce à quoi ressemble une chaîne de l’énergie, voici quelques exemples associés à différents appareils et centrales électriques.
Dans le cas de panneaux solaires photovoltaïques, l'énergie d’entrée est l’énergie solaire, récupérée par le biais des rayonnements solaires. La chaîne d’énergie se présente ensuite de cette manière :
Dans le cas d’une centrale nucléaire, c’est l’uranium qui est l’énergie d’entrée. La chaîne énergétique se présente de cette façon :
Une éolienne s’alimente grâce à la puissance du vent. La chaîne de l’énergie prend la forme suivante :
Pour terminer et mieux comprendre la chaîne d’énergie et d’information, voici l’exemple d’une serrure à code. La chaîne d’information se présente de la manière suivante :
La chaîne d’information envoie quant à elle les ordres à la chaîne d’énergie et traite les informations :
L’action finale sera de déverrouiller la porte si le code ou le badge est valide.
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