Etang Thery

Term. STI 2D
Nom :
Evaluation enseignements transversaux
durée 4h
Prénom :
Vous devez répondre absolument sur le présent document . Aucune feuille
séparée ne sera acceptée.
Les énergies
Le scooter se déplace sur une
route horizontale à la vitesse
de 12,5 m/s. La force motrice
est alors de 120 N. Calculez,
dans ce cas, la puissance
mécanique.
0 1 2 3
P = F×V = 120×12,5 = 1500 W
Si la puissance mécanique est de 1 500 W et la puissance électrique de
1 800W, calculez le rendement global.
0 1 2 3
η = P méca / P électrique = 1500 / 1800 = 0,83
Pour une puissance électrique P de 1 800W et une tension U aux bornes du
moteur de 18 V, calculez l’intensité absorbée.
0 1 2 3
P = U×I → I = P / U → I = 1800 / 18 = 100 A
La capacité de l’accumulateur étant de 100 Ah, calculez la distance
théorique maximale que peut parcourir le scooter (à la vitesse de 45 km/h sur 0 1 2 3
le plat).
V = 45 km/h =12,5 m/s P méca dispo = 1500 W P = F×distance/ t
Distance = P×t / F → 1500×3600/120 = 45000 m = 45 km
Ampoule basse consommation
L’emballage d’une ampoule « basse consommation » indique : 230 V 50 Hz
150 mA 20 W 1200 lumen
Calculez le facteur de puissance de l’ampoule.
0 1 2 3
cos φ = P / S avec S = U.I → cos φ = 20 / 230×150 10-3
cos φ = 0,579
L’ampoule peut fonctionner pendant 6 ans à raison de 3 heures par jour.
Calculez l’énergie électrique (en kWh) consommée.
0 1 2 3
P1 = 20×6×3×365 = 131,4 kWh
Rédaction Marc VINCENT
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Term. STI 2D
Evaluation enseignements transversaux
Une ampoule classique de 100 W donne le même flux lumineux qu’une
ampoule basse consommation de 20 W.
Calculez l’économie d’énergie (en euros) que procure l’utilisation d’une
ampoule basse consommation.
Le tarif du kWh électrique est actuellement de 13 centimes d’euro ( 2013 )
durée 4h
0 1 2 3
P2 = 100×6×3×365 = 657 kWh
Energie économisée
P2- P1 = 525,6 kWh Gain 525,6×0,13 = 68, 32 euros
Puissances échangées sur capteur solaire
Un capteur solaire d’une surface de 2 m² reçoit
une énergie rayonnante de 3 960 kJ sur une
durée de
1 heure. Il est capable de fournir 60 % de cette
énergie à un débit d’eau le traversant Qv = 80
l/h.
On donne : Te = 30 °C.
On rappelle : Cpeau= 4,185 kJ.kg-1.K-1 et
ρ eau = 1 000 kg×m-3
Déterminez le flux de puissance rayonnante reçu par le capteur,
il sera exprimé en W.m-2
0 1 2 3
0 1 2 3
Donnée : Energie rayonnante de 3 960 kJ sur une durée de 1heure.
Puissance moyenne reçue = E rayonnante / temps 1h = 3600s
AN P1 = 3960 / 3600 = 1,1 kW
L’énergie reçue correspond à un rayonnement sur une surface de
2 m2
La puissance moyenne reçue par m2 est P = P1 / S
AN Psoleil = 1,1 / 2 = 0,55 kW / m2 = 550 W / m2
Déterminez l’énergie fournie à l’eau grâce au capteur.
0 1 2 3
Donnée : Il est capable de fournir 60 % de cette énergie à un débit d’eau le
traversant Qv = 80 l/h.
Dans ce cas, l’énergie fournie à l’eau est Eeau = 0,6×Esoleil
AN Eeau = 0,6×Esoleil = 0,6×3960 = 2376 kJ
Déterminez la masse d’eau traversant le capteur pendant 1 heure.
0 1 2 3
Donnée : Il est capable de fournir 60 % de cette énergie à un débit d’eau le
traversant Qv = 80 l/h.
Rappel : cours énergie fluidique →
Débit volumique q v = V (m3) / t (s) et ρ = q m / q v
On en déduit : avec q v = 80 ×10-3 / 1 heure
AN q m = 1000 × 80×10-3 / 1h d’où q m = 80 kg par heure
Rédaction Marc VINCENT
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Term. STI 2D
Evaluation enseignements transversaux
En déduire la température de sortie du capteur.
durée 4h
0 1 2 3
Rappel : Chaleur sensible notée Qs en Joules
La chaleur sensible est la part de la chaleur échangée qui fait varier la
température du système.
avec chaleur sensible notée Qs en Joules Qs= m×Cp×Δt
avec m : masse du corps considéré en kg
Cp : capacité calorifique massique en J×kg-1×K-1
Δt variation de température du corps en °C et Cpeau= 4,185 kJ.kg-1.K-1
Qs = m×Cp×( Tsortie – T entrée ) d’où T sortie = Qs / m×Cp + Tentrée
or Qs = Eeau = 0,6×Esoleil = 0,6×3960 = 2376 kJ et
Cpeau= 4185 J.kg-1.K-1
AN T sortie = 2376 103 / 80×4185 + 30 = 30+7,09677 = 37,1 °C
Déterminez l’expression de la puissance portée par le débit d’eau.
0 1 2 3
Rappel : Puissance = Energie / t
Puissance = m ×Cp×( Tsortie – T entrée ) / t et q m = ρ × q v
q m = m eau / t
donc t = m eau / ρ × q v en remplaçant, nous trouvons
Peau = ρ × q v × Cp × ( Tsortie – T entrée ) C’est une formule du cours
Nous souhaitons dimensionner les pales d'une éolienne à vitesse fixe pour
obtenir une puissance mécanique de 750 kW pour une vitesse de vent de
13,8 m/s. On considère un coefficient de puissance Cp égal à 0,2. Quel sera
la longueur de notre pale ou le rayon de la surface balayée par la
turbine ?
On prendra ρ~ 1,25 kg/m3, masse volumique de l'air, dans les conditions
normales de température et de pression au niveau de la mer.
0 1 2 3
D’après le cours connaissance de l’aérogénérateur,
P turbine = 1/2×Cp×ρ×S×V3
On en déduit : S = 2×P turbine / Cp× ρ× V3 = π×R2
d’où R = √ 2×P turbine / Cp× ρ× V3× π = 26,95 m ≈ 27 m
La pompe utilisée pour un réseau de distribution d’eau est une
pompe Wilo TOP S50 /10. Un courbier est fourni à la page suivante.
Les caractéristiques de fonctionnement hydraulique recherchées pour le
réseau sont les suivantes : Qv = 20 m3/h
Hauteur manométrique : 4,2- 4,3 m CE On donne ρeau = 1000 kg/m3
Cette pompe répond-elle au besoin ? Justifiez.
Le point représentatif des besoins du réseau est placé sous la
courbe caractéristique de la pompe, lorsqu’elle fonctionne à
puissance maximale. Cette pompe est donc capable de répondre
aux besoins du réseau.
Rédaction Marc VINCENT
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Term. STI 2D
Evaluation enseignements transversaux
Déterminez la puissance hydraulique de la pompe.
durée 4h
0 1 2 3
La puissance hydraulique dissipée par le réseau se calcule comme suit :
P hydraulique = Qv×( E f aval – E f amont ) avec Eh = ρeau ×g×h en Pascal
soit P hydraulique = Qv× ρeau ×g×h
on a Qv = 20 m3/h
AN : P hydraulique = 20×1000×9,81×4,2 /3600= 228,9 W
(234,35 W avec h =4,3 mCE)
P hydraulique  229 W ou 234,35 W
Déterminez le rendement de la pompe.
0 1 2 3
D’après la courbe P elec = 680 W
On en déduit le rendement = Phydro / P elec
AN :  = 229 / 680 = 0,336 ou 0,344    34 %
Le point représentatif des besoins
du réseau est placé sous la
courbe caractéristique de la
pompe, lorsqu’elle fonctionne à
puissance maximale. Cette pompe
est donc capable de répondre aux
besoins du réseau.
680 W
Rédaction Marc VINCENT
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Term. STI 2D
Evaluation enseignements transversaux
durée 4h
Les matériaux
Donnez une définition du développement durable
0 1 2 3
Le Développement durable est un concept élaboré au
cours des années 1980. Son objectif est « de répondre aux
besoins du présent, sans compromettre la capacité pour
les générations futures de satisfaire les leurs »
Définissez les 3 piliers du développement durable.
0 1 2 3
Qu’est-ce-que la directive RoHS ?
0 1 2 3
La directive RoHS (Restriction of the use of certain
Hazardous Substances in electrical and electronic)
interdit l’utilisation de certaines substances dans le
domaine de l’électronique comme le plomb et le mercure.
Que signifie ACV ? Définissez une ACV.
0 1 2 3
L’ACV (Analyse du cycle de vie ) est une approche
multicritères et globale de l’environnement :
Approche multicritères : consommation de matières et
d’énergies, production de déchets, rejets et émissions.
Approche globale : prise en compte de l’ensemble des
étapes du cycle de vie du produit (bien ou service)
En résumé : lors d'une analyse du cycle de vie d'un
produit, celui-ci est décortiqué afin de réduire les
pollutions et les nuisances environnementales des flux
entrants et sortants à chacune de ses phases, et de mettre
en œuvre toutes les améliorations possibles pour réduire
son empreinte écologique.
Rédaction Marc VINCENT
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Term. STI 2D
Evaluation enseignements transversaux
durée 4h
Les impacts environnementaux . Listez les principaux critères ou indicateurs
pris en compte lors d’une ACV.
0 1 2 3
Dans les matières plastiques, on distingue 3 familles. Citez leur nom .
0 1 2 3
 Les thermoplastiques
 Les thermodurcissables
 Les élastomères et les mousses
Calcul de la section des haubans du viaduc de Millau
Hypothèses
On fera l'approximation que le Viaduc de Millau à un haubanage en éventail et donc que la tension de
chaque fil est la même.
Données :
Poids théorique : 1,1 × 109 N
Nombre de haubans : 154
Angle moyen des haubans : 45°
On supposera , après calcul que la tension dans un hauban, est égale à 107 N
En supposant que le résistance élastique pour les
câbles de Millau soit de 1800 MPa, calculez la
section de ceux-ci. On prendra un coefficient de
sécurité de 3.
 = F/S d’ où R = √ F/ (×) avec  =1800/3 =600MPa
AN R = √ 107/ (×600)  R = 72,8 mm
Le vrai diamètre d’un hauban du viaduc de Millau varie de
140 mm à 7 mm
Rédaction Marc VINCENT
0 1 2 3
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Term. STI 2D
Evaluation enseignements transversaux
durée 4h
Deux barres d’acier identiques sont
assemblées (articulation) et portent
une charge de 50000 kg.
On prendra g = 10 m/s2 et E = 210000
MPa
Déterminez la section des barres telle que la contrainte subie ne soit pas plus
grande que 21000 N/cm2
0 1 2 3
sur x : F1 cos 45 –F2 cos45 =0 (a)
sur y = -F + F1sin 45 +F2sin45 =0 (b)
Equation (a)  F1 = F2
Equation (b) F = 2×F1×sin45 F1 = F/(2×sin45)
Méthode graphique
admise
d’où F1 = 50×104/2×sin45 = 35,355×104
F1 = 35,355×104 N
 = N / S d’où S = N/ 
AN: S = 35,355×104/ 21000 = 16,835 cm2
Calculez également le déplacement vertical du point B.
0 1 2 3
D’après la loi de Hooke  = E×
avec  = ΔL/L et  = N/S d’où
ΔL = N×L / E×S AN :
ΔL = 35,355×104 ×2,50 /
210000×106 ×16,835 ×10-4 =
2,5×10-3 m0,25 cm
Notre étude se limitant aux cas des
petites déformations, la géométrie de
base de la structure est
essentiellement inchangée. Nous
pouvons admettre que l’angle DB’B
est très voisin de 45°
Rédaction Marc VINCENT
Allongement total = 2×x
avec cos 45° = x / ΔL
si ΔL = 0,25 mm alors 2x ≈ 0,35
cm
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Term. STI 2D
Evaluation enseignements transversaux
durée 4h
Machine à commande numérique 3 axes :
L'étude porte sur l'axe motorisé X de la
CPM 2018 permettant le déplacement du
chariot horizontal suivant l'axe X.
L'axe motorisé X est constitué d'une
avance linéaire entraînée par un moteur
pas à pas par l'intermédiaire d'une
transmission par poulies et courroie
crantée.
Donnez le nom des liaisons L1, L2 et L3 (on précisera le centre, les axes, etc…)
0 1 2 3
 L1 : liaison rotule de centre A
 L2 : liaison hélicoïdale d’axe (B,) en B
 L3 : liaison glissière d’axe (C,) en C
La poulie P1 a un diamètre D1 = 80 mm, la poulie P2 a un diamètre
0 1 2 3
D2 = 120mm, si N moteur = 300 tr/min, calculez la vitesse  vis de la vis en rad/s.
r = N vis / N moteur = D1 moteur / D2 vis
N vis = Nmoteur×D1moteur/D2 vis AN N vis = 300×80/120=200 tr/min
 vis = 200×2×/60 = 20,94 rad/s
Acquérir
Alimenter
Traiter
Convertir
d’information
Transmettre
d’énergie
Portail automatique : Complétez la représentation schématique des
chaines d’information et d’énergie du système proposé .
Rédaction Marc VINCENT
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Term. STI 2D
Evaluation enseignements transversaux
durée 4h
Informations
Codage et traitement de l’information
Donnez l’écriture décimale et hexadécimale des nombres binaires :
écriture décimale
→ % 0010 1101 0011
→ % 0000 0010 1100
723
44
écriture hexadécimale
0 1 2 3
$ 2D3
$ 2C
Dessinez un algorithme partiel mettant en œuvre une structure alternative
complète. Traduisez l’algorithme en pseudo langage.
0 1 2 3
alternative complète
→ structure
Si …..Alors……Sinon
Soit un système dont la matière d’œuvre entrante est un flot de résistance de 1kΩ. La
tolérance des résistances est de +/-10%.
La partie du système étudié doit :
 Détecter la présence d’une résistance (composant)
 Mesurer sa valeur exacte en ohms.
 Vérifier que la valeur de celle-ci est bien comprise dans la plage des +/10%.
 Evacuer les résistances non conformes, conserver les résistances conformes.
Rédaction Marc VINCENT
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Term. STI 2D
Evaluation enseignements transversaux
Proposez l’algorigramme ou l’organigramme de gestion du système et le
pseudo-codage correspondant.
durée 4h
0 1 2 3
R>900
Précisez la nature de la structure utilisée
0 1 2 3
Structure utilisée : structure alternative
Si …Alors…..Sinon
Analyse fréquentielle
On a relevé le signal délivré par le capteur de vitesse
d’un robot optoguidé sur la voie 1 de l’oscilloscope et le
signal mis en forme sur la voie 2 :
Rédaction Marc VINCENT
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Term. STI 2D
Evaluation enseignements transversaux
durée 4h
Etude du signal délivré par le capteur (voie 1 de l’oscilloscope)
Relevez sa période, sa valeur minimale et sa valeur maximale
0 1 2 3
Calculez sa fréquence.
0 1 2 3
;
Son spectre en fréquence est le suivant :Spectre
0.7
0.6
Amplitude (V)
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
Rédaction Marc VINCENT
0
2000
4000
6000
8000 10000
Fréquence (Hz)
12000
14000
16000
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Term. STI 2D
Evaluation enseignements transversaux
Mesurez la fréquence du fondamental. Est-ce cohérent avec le relevé de
période précédent ?
.
Ceci est cohérent avec la valeur mesurée à l’oscilloscope.
Quelle information peut-on lire à la fréquence f=0 ?
durée 4h
0 1 2 3
0 1 2 3
En f=0 on lit la valeur moyenne du signal.
Relevez sur le spectre la valeur moyenne du signal
0 1 2 3
On lit : valeur moyenne = 0,6V.
Relevez dans un tableau le rang, la fréquence et l’amplitude des raies
spectrales.
0 1 2 3
Rang
0
1
2
3
4
5
Fréquence
0
2,1 kHz
4,1 kHz
6.2 kHz
8.3 kHz
10,4 kHz
Amplitude
0,6 V
0,28 V
0,1 V
0,06 V
0,03 V
0,02 V
La mesure de la vitesse de rotation est effectuée par un microcontrôleur
Expliquez pourquoi le signal issu du capteur (voie 1 de l’oscilloscope) est
0 1 2 3
inexploitable en l’état et doit être mis en forme.
Le microcontrôleur traite des signaux de type logique :
-état bas : 0V et état haut 5V (ou 3,3 V pour certains
microcontrôleurs) ;
-transitions franches entre états ;
Ces deux exigences ne sont pas respectées à la sortie du
capteur (voie 1), ce qui rend le microcontrôleur incapable
de traiter le signal et donc d’en extraire la vitesse de
rotation de la roue.
Après traitement on obtient un signal logique (état bas :
0,6V et état haut :3,7V) ; ceci est suffisant pour le
microcontrôleur pour distinguer l’état haut de l’état bas
car la frontière entre les deux est : 2,5 V.
Rédaction Marc VINCENT
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