Sciences de l'ingénieur1ère

Applications industrielles
Exercices corrigés

Maîtrisez les applications industrielles : mécanismes, transmissions, systèmes automatisés, outils industriels grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(P = F \cdot v\)
Puissance mécanique
Rendement
\(\eta = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{absorbée}}}\)
Efficacité d'un système
Transmission
\(i = \frac{\omega_{\text{sortie}}}{\omega_{\text{entrée}}}\)
Rapport de vitesse
Force
\(F = m \cdot a\)
Loi fondamentale de Newton
🏭
Définition : Les applications industrielles exploitent les principes mécaniques dans des systèmes productifs.
⚙️
Systèmes : Ensemble d'organes mécaniques interconnectés pour une fonction spécifique.
🔧
Mécanismes : Transmission de puissance et transformation de mouvement.
📊
Analyse : Étude des performances, rendements et contraintes.
Exercice 1
Analyse d'une presse hydraulique industrielle
Exercice 2
Étude d'une transmission par courroie
Exercice 3
Analyse d'une chaîne de montage robotisée
Exercice 4
Système de freinage d'un convoyeur
Exercice 5
Robot manipulateur industriel
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Presse hydraulique
Définition :

Principe de Pascal : La pression exercée sur un fluide incompressible se transmet intégralement.

Méthode d'analyse :
  1. Appliquer le principe de Pascal
  2. Relier forces et surfaces des pistons
  3. Calculer les efforts et déplacements
  4. Évaluer le rendement global
Énoncé :

Une presse hydraulique possède un piston d'entrée de diamètre d₁=2cm et un piston de sortie de diamètre d₂=20cm. Si F₁=100N, calculer F₂ et le gain en force.

Étape 1 : Calcul des surfaces

S₁ = π(d₁/2)² = π(0.01)² = π×10⁻⁴ m²

S₂ = π(d₂/2)² = π(0.1)² = π×10⁻² m²

Étape 2 : Application du principe de Pascal

P₁ = P₂ donc F₁/S₁ = F₂/S₂

F₂ = F₁ × (S₂/S₁) = F₁ × (d₂/d₁)²

Étape 3 : Calcul de la force de sortie

F₂ = 100 × (20/2)² = 100 × 100 = 10 000 N

Étape 4 : Gain en force

Gain = F₂/F₁ = 10 000/100 = 100

F₂ = 10 000 N, gain = 100
Réponse finale :

La force de sortie est de 10 000 N, soit un gain en force de 100 fois.

Règles appliquées :

• Pascal : Pression uniforme dans un fluide incompressible

• Surface : Proportionnelle au carré du diamètre

• Conservation : Énergie n'est pas créée mais transférée

2 Transmission par courroie
Définition :

Transmission par courroie : Transfert de puissance entre arbres distants par friction.

Énoncé :

Un moteur électrique tourne à 1500 tr/min et entraîne un récepteur via une courroie. Si le poulie motrice a un diamètre de 10 cm et le poulie réceptrice de 30 cm, calculer la vitesse de rotation du récepteur.

Étape 1 : Principe de la transmission

La vitesse linéaire de la courroie est la même sur les deux poulies.

v = ω₁r₁ = ω₂r₂

Étape 2 : Calcul des rayons

r₁ = 5 cm = 0.05 m, r₂ = 15 cm = 0.15 m

Étape 3 : Calcul de la vitesse angulaire de sortie

ω₂ = ω₁ × (r₁/r₂)

ω₁ = 1500 × (2π/60) = 50π rad/s

ω₂ = 50π × (0.05/0.15) = 50π/3 rad/s

Étape 4 : Conversion en tours par minute

n₂ = ω₂ × (60/2π) = (50π/3) × (60/2π) = 500 tr/min

n₂ = 500 tr/min
Réponse finale :

Le récepteur tourne à 500 tr/min, soit un tiers de la vitesse du moteur.

Règles appliquées :

• Vitesse linéaire : Constante sur la courroie

• Proportionnalité : Inversement proportionnelle aux rayons

• Conversion : Relations entre rad/s et tr/min

3 Chaîne de montage
Définition :

Système automatisé : Ensemble de capteurs, actionneurs et commandes pour une production continue.

Énoncé :

Un convoyeur transporte des pièces à une vitesse de 0.5 m/s. Si chaque pièce est espacée de 1 mètre, combien de pièces sont produites par heure ?

Étape 1 : Calcul du débit spatial

Distance entre deux pièces : d = 1 m

Vitesse du convoyeur : v = 0.5 m/s

Étape 2 : Calcul du débit temporel

Temps entre deux pièces : t = d/v = 1/0.5 = 2 s

Étape 3 : Calcul des pièces par heure

Nombres de pièces par heure = 3600/2 = 1800 pièces/h

Étape 4 : Vérification

En 1 heure (3600s), le convoyeur parcourt 0.5×3600 = 1800 m

Avec 1 pièce par mètre, cela fait 1800 pièces

1800 pièces par heure
Réponse finale :

La chaîne de montage produit 1800 pièces par heure.

Règles appliquées :

• Proportionnalité : Vitesse constante implique régularité

• Unités : Conversion correcte entre secondes et heures

• Contrôle : Vérification par deux méthodes différentes

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Système de freinage
Définition :

Freinage : Application d'une force opposée au mouvement pour réduire la vitesse.

Énoncé :

Un convoyeur de masse 500 kg roule à 2 m/s. Il doit s'arrêter sur une distance de 4 m. Calculer la force de freinage nécessaire.

Étape 1 : Principe fondamental

Théorème de l'énergie cinétique : W = ΔEc

W = F × d (travail de la force de freinage)

Étape 2 : Calcul de l'énergie cinétique

Ec = ½mv² = ½×500×2² = ½×500×4 = 1000 J

Étape 3 : Application du théorème

W = -Fd = -Ec (car le travail est résistant)

-F×4 = -1000

F = 1000/4 = 250 N

Étape 4 : Vérification par cinématique

v² = v₀² + 2ad → 0 = 4 + 2a×4 → a = -0.5 m/s²

F = ma = 500×0.5 = 250 N

F = 250 N
Réponse finale :

La force de freinage nécessaire est de 250 N.

Règles appliquées :

• Énergie : Transformation de l'énergie cinétique en travail

• Newton : Force égale masse fois accélération

• Vérification : Double méthode pour valider le résultat

5 Robot manipulateur
Définition :

Robot industriel : Bras mécanique programmable pour manipulation d'objets.

Énoncé :

Un robot manipulateur doit déplacer une charge de 10 kg sur une distance de 1.5 m en 3 secondes. Calculer la puissance moyenne nécessaire.

Étape 1 : Calcul de la force nécessaire

F = mg = 10×9.81 = 98.1 N (force poids)

Pour soulever la charge, il faut au moins cette force

Étape 2 : Calcul du travail effectué

W = F×d = 98.1×1.5 = 147.15 J

Étape 3 : Calcul de la puissance moyenne

P = W/t = 147.15/3 = 49.05 W

Étape 4 : Prise en compte des frottements

En pratique, il faut ajouter 20-30% pour compenser les pertes

P_utile = 49.05 × 1.25 ≈ 61.3 W

P_moyenne ≈ 61 W (avec marges)
Réponse finale :

Le robot doit fournir environ 61 W de puissance moyenne.

Règles appliquées :

• Travail : Force fois distance dans le sens du déplacement

• Puissance : Travail divisé par le temps

• Pratique : Marges pour compenser les pertes

Cours bien détaillé
\(\eta = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{absorbée}}}, P = F \cdot v\)
Grandeur des systèmes
🏭
Application : Les systèmes industriels convertissent une forme d'énergie en une autre.
🔧
Transmission : Les mécanismes transforment et transmettent les mouvements.
📊
Performance : Mesure de l'efficacité par les rendements et les caractéristiques.
⚡
Automatisation : Contrôle des processus par des systèmes logiques.
💡
Conseil : Toujours identifier les entrées/sorties d'un système avant d'analyser
🔍
Attention : Ne pas négliger les pertes par frottement dans les calculs
⚡
Astuce : Utiliser les rapports de transmission pour simplifier les calculs
📋
Méthode : Faire un bilan énergétique pour analyser l'efficacité
✅
Vérification : Vérifier l'homogénéité des unités dans les calculs
Méthodes d'analyse :
  • Bilan énergétique : Suivi des flux d'énergie dans le système
  • Analyse cinématique : Étude des vitesses et accélérations
  • Analyse statique : Équilibre des forces et moments
  • Modélisation : Représentation schématique du système
Règles importantes :
  • Le rendement est toujours inférieur à 1 (η < 1)
  • La puissance se conserve dans un système idéal sans perte
  • La vitesse de la courroie est constante dans une transmission
  • Les actions mécaniques se transmettent par contact direct
  • La loi fondamentale de Newton s'applique à tous les solides
\(i = \frac{\omega_{\text{sortie}}}{\omega_{\text{entrée}}} = \frac{N_{\text{motrice}}}{N_{\text{réceptrice}}}\)
Rapport de transmission
Puissance
\(P = C \cdot \omega\)
Rotation
Liaison
\(T = F \cdot v\)
Translation
Rendement
\(\eta = \eta_1 \cdot \eta_2 \cdot ... \cdot \eta_n\)
Système complet
Applications industrielles Types de mécanismes