Physique du parc N3 — fiche de prolongement en classe (3e année des humanités scientifiques)

Ce que la classe rapporte du parc

• Les carnets visés par station : plaque et mesures du moteur, index du compteur, bilan de puissance, tableaux d'induction, grafcet du Carrousel, chaîne du portique, relevé position-temps.
• Sous 48 heures, par courriel : le fichier position-temps du jour (CSV) et la fiche « bilan de puissance » avec le relevé compteur horodaté et le tarif en FC/kWh.

Le prolongement s'organise en une leçon de suivi de 45 minutes, une évaluation et deux séances facultatives.

Leçon de suivi (45 minutes) — « Le bilan de puissance du parc »

Objectif : construire un raisonnement d'ingénieur à partir des relevés réels, puis fixer le plan du compte rendu.

Évaluation (devoir surveillé de 50 minutes, sur 20)

Les données sont celles du jour ; chaque élève travaille sur ses tableaux.

1. Puissance et énergie (6 points). À partir de la plaque et de la mesure en charge : P active, énergie d'un tour en kJ et en kWh, coût d'un tour au tarif de la fiche, part de la roue dans le bilan. Question de raisonnement : pourquoi la puissance moyenne lue au compteur est-elle inférieure à la somme des puissances installées ?
2. Induction (7 points). (a) Reprendre le tableau U = f(n) : équation de la droite, constante K = U/(N·n) ; prédire U pour 400 spires à 300 tr/min. (b) Alternateur du groupe électrogène du parc (plaque sur la fiche) : fréquence 50 Hz avec p paires de pôles → vitesse de synchronisme n = 60 f/p ; pourquoi 1 500 tr/min pour p = 2 ? (c) Moteur de la roue : glissement à partir de la vitesse de plaque ; interpréter. (d) Expliquer par la loi de Lenz comment le variateur peut freiner la roue en faisant fonctionner le moteur en générateur.
3. Dérivées sur données réelles (7 points). (a) Ajuster h(t) = H − R cos(ωt) sur le relevé (choix de H, R, ω) ; (b) dériver deux fois, tracer v_z(t) et a_z(t) sous h(t) ; (c) montrer par l'étude de la dérivée de v_z que la vitesse verticale est maximale à la hauteur de l'axe ; (d) limite de a_z max quand T tend vers l'infini et interprétation.

Barème par compétence : S'approprier 4, Réaliser 6, Valider 6, Communiquer 4 ; report des niveaux 1 à 4 de la grille du kit, y compris la ligne « sécurité en zone technique ».

Séance facultative A — Automatisme (40 minutes)

Compléter le grafcet du Carrousel avec deux conditions de sécurité (porte de nacelle fermée avant l'étape 1 ; capteur de vitesse muet pendant 5 s → arrêt) et dessiner le schéma de câblage de l'arrêt d'urgence hors automate (relais de sécurité, contacts en série). Question ouverte : pourquoi un système de sécurité doit-il être « à sécurité positive », c'est-à-dire s'arrêter quand un fil se coupe ?

Séance facultative B — Ajustement par l'écart quadratique (50 minutes)

Avec le fichier CSV et un tableur : calculer, pour dix points du relevé, l'écart entre h mesurée et h du modèle, puis l'écart quadratique moyen ; faire varier R, H et ω pour le minimiser. Discussion : à quoi sert un modèle si les mesures sont déjà là ? (prédire, interpoler, détecter une anomalie de la roue).

Pour aller plus loin en RDC

• Inga et le réseau : de l'alternateur de l'atelier aux turbines d'Inga (même loi, plus de spires, plus de vitesse, plus de flux) ; pourquoi le courant du réseau est-il à 50 Hz ?
• Délestage à Kinshasa : avec le bilan de puissance, quels équipements du parc couperait-on en priorité en cas de délestage, et pourquoi le cinéma 5D est-il sur onduleur ?

Suite du parcours

Physique du parc N4 en 4e année : mouvement circulaire mesuré sur la Grande Roue, énergie sur le profil du titre 5D « Canyon Coaster » en station de données, pendule, effet Doppler à la sono et transformateurs du poste — le programme d'Exétat.

Sources programme : HS3-PHY-ELECTRICITE-PUISSANCE, HS3-PHY-MAGNETISME-INDUCTION, HS3-TEC-AUTOMATISME-CAPTEURS, HS3-MAT-LIMITES-DERIVEES.