⚙ Spécialité Sciences de l’ingénieur Première Générale · Chapitre 4

Énergie, puissance et rendement

Formes d'énergie et conversions, puissance mécanique en translation (P = F v) et en rotation (P = C ?), puissance électrique, rendement d'un constituant et d'une chaîne, stockage de l'énergie (batteries en Wh), autonomie.

1. Puissances

Propriété · Expressions

Mécanique en translation : $P = F \times v$ ; en rotation : $P = C \times \omega$ ($C$ couple en N·m, $\omega$ en rad/s). Électrique (continu) : $P = U \times I$. Énergie : $E = P \times t$ ($1$ Wh $= 3\,600$ J).

Exemple · Moteur

Un moteur fournit un couple de $2$ N·m à $3\,000$ tr/min : $\omega \approx 314$ rad/s, $P \approx 628$ W.

2. Rendement

Définition

Le rendement d'un constituant est $\eta = \dfrac{P_\text{utile}}{P_\text{absorbée}} \lt 1$ ; la différence correspond aux pertes (chaleur, frottements). Pour une chaîne de constituants en série, le rendement global est le produit des rendements.

Pa = 500 Wbatterie? = 0,95variateur? = 0,96moteur? = 0,85réducteur? = 0,9? global = 0,95 × 0,96 × 0,85 × 0,9 ? 0,70puissance utile ? 0,70 × 500 = 349 W ; pertes ? 151 W (chaleur)
Le rendement d'une chaîne de puissance est le produit des rendements de ses constituants.

3. Stocker l'énergie

Propriété · Batteries

L'énergie d'une batterie vaut $E = U \times Q$ ($U$ tension nominale en V, $Q$ capacité en Ah) : $36$ V × $10$ Ah $= 360$ Wh. L'autonomie vaut $\dfrac{E}{P_\text{moyenne}}$. On compare les technologies par leur énergie massique (Wh/kg) : environ $40$ pour le plomb, $150$ à $250$ pour le lithium-ion.

Activité · Bilan énergétique d'un vélo à assistance électrique

Matérielvélo instrumenté (wattmètre sur la batterie, capteur de vitesse et de couple au pédalier) ou données constructeur.
ConsigneMesurer la puissance électrique absorbée et la puissance mécanique fournie à la roue sur un trajet à vitesse constante, en déduire le rendement de la chaîne.
RésultatPar exemple $P_\text{abs} = 300$ W et $P_\text{utile} = 225$ W : $\eta = 0{,}75$.
BilanAvec une batterie de $500$ Wh, l'autonomie théorique en assistance continue est d'environ $1{,}7$ h.

Attention · Ordre de grandeur

Les pertes deviennent de la chaleur : un moteur de $85\,\%$ de rendement qui fournit $1$ kW dissipe environ $176$ W ; il faut prévoir son refroidissement.

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Exercices corrigés

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1

Puissance en translation

★☆☆

Un tapis roulant exerce $200$ N sur une charge qui avance à $0{,}5$ m/s. Puissance ?

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2

Puissance en rotation

★☆☆

Un arbre transmet $10$ N·m à $100$ rad/s. Puissance ?

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3

Couple d'un moteur

★★☆

Un moteur de $750$ W tourne à $1\,500$ tr/min. Couple ?

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4

Puissance électrique

★☆☆

Un moteur absorbe $4$ A sous $24$ V. Puissance absorbée ?

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5

Rendement

★☆☆

Ce moteur fournit $80$ W mécaniques. Rendement ? Pertes ?

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6

Rendement global

★★☆

Vérifier le rendement global de la figure du cours.

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7

Puissance absorbée

★★☆

On veut $600$ W en sortie d'une chaîne de rendement $0{,}75$. Puissance absorbée ?

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8

Énergie d'une batterie

★☆☆

Batterie de $12$ V et $50$ Ah. Énergie en Wh puis en J ?

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9

Autonomie

★★☆

Un robot consomme en moyenne $40$ W avec une batterie de $14{,}4$ V – $5$ Ah. Autonomie ?

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10

Masse de batterie

★★☆

Quelle masse de batterie lithium-ion ($200$ Wh/kg) pour stocker $500$ Wh ? et en plomb ($40$ Wh/kg) ?

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11

Levage

★★★

Un monte-charge soulève $300$ kg de $6$ m en $12$ s. Puissance utile ($g = 9{,}81$) ? Puissance électrique si $\eta = 0{,}6$ ?

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12

Vitesse de levage

★★☆

Un treuil de $2$ kW (utile) soulève $500$ kg. Vitesse de montée ?

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13

Pertes thermiques

★★☆

Un moteur de rendement $0{,}9$ absorbe $2$ kW. Puissance dissipée en chaleur ?

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14

Énergie consommée

★★☆

Une pompe de $750$ W fonctionne $3$ h par jour pendant $30$ jours. Énergie consommée ?

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15

Vélo électrique

★★☆

Dans l'activité, combien de temps l'assistance tient-elle avec une batterie de $400$ Wh ?

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17

Panneau solaire

★★☆

Un panneau de $1{,}6$ m² reçoit $1\,000$ W/m² et fournit $320$ W. Rendement ?

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18

Choisir un moteur

★★★

Une roue de robot doit fournir $1{,}5$ N·m à $60$ tr/min via un réducteur de rendement $0{,}8$. Puissance mécanique minimale du moteur ?

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19

Énergie de freinage

★★★

Un véhicule de $1\,200$ kg roulant à $20$ m/s freine jusqu'à l'arrêt. Énergie récupérable au mieux par freinage régénératif avec un rendement de $0{,}6$ ?

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) Un rendement peut valoir $1{,}2$. b) $P = C \times \omega$. c) Le rendement global d'une chaîne est la somme des rendements.

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