Ressources · 5ᵉ · Technologie
Chaîne d’énergie : formes d’énergie et constituants
Rappels de 6e sur les formes d’énergie (électrique, cinétique, potentielle, thermique, lumineuse, chimique) ; les conversions du moteur, du vérin, de la lampe, du radiateur et de la génératrice ; les fonctions alimenter, distribuer, convertir et transmettre, avec la batterie, l’interrupteur, le relais, les engrenages, la courroie et la chaîne ; lire une chaîne d’énergie fournie et associer une solution technique à une fonction.
À propos de cette page
Les formes d’énergie
Une perceuse qui tourne, un hayon de voiture qui se lève, un radiateur qui chauffe : un objet technique a besoin d’énergie pour agir. Avant de suivre le chemin de cette énergie dans l’objet, il faut savoir nommer ses formes, déjà rencontrées en 6e.
• Les formes d’énergie à connaître en technologie : l’énergie électrique (le courant dans les fils), cinétique (liée au mouvement), potentielle (liée à la hauteur, on dit aussi énergie de position ; en 6e : énergie de pesanteur), thermique (liée à ce qui est chaud) et lumineuse (la lumière). S’y ajoutent l’énergie chimique, stockée dans une pile, une batterie, un carburant ou un aliment, et l’énergie nucléaire des centrales.
• Rappel de 6e : les énergies cinétique, potentielle, chimique et thermique peuvent être stockées ; les énergies électrique et lumineuse sont des énergies de transfert : elles n’existent que pendant leur passage d’un objet à un autre.
• En technologie, on appelle souvent énergie mécanique l’énergie d’une pièce en mouvement ou en hauteur (cinétique et potentielle) : c’est celle que fournit un moteur à l’axe qui tourne.
Les formes d’énergie dans les objets techniques
| Forme d’énergie | Elle est liée à… | Dans un objet technique |
|---|---|---|
| électrique | un courant électrique | le courant dans le câble d’une rallonge branchée |
| cinétique | un mouvement | la meule d’un touret à meuler qui tourne |
| potentielle | la hauteur d’un objet | le poids d’une horloge comtoise remonté en haut de sa course |
| thermique | un objet chaud | le plateau chauffant d’une imprimante 3D en marche |
| lumineuse | la lumière | la lumière du gyrophare d’une dépanneuse |
| chimique | une matière qui peut réagir ou brûler | la pile d’une clé de voiture |
L’horloge comtoise. On remonte le poids avec une manivelle : il gagne de l’énergie potentielle. En descendant très lentement, il fait tourner les engrenages et les aiguilles : son énergie potentielle devient de l’énergie cinétique.
Une mini-pelle électrique de chantier. Sa batterie stocke de l’énergie chimique ; le courant qui en sort transporte de l’énergie électrique (énergie de transfert) ; le godet qui se lève possède de l’énergie cinétique, puis, immobile en haut, de l’énergie potentielle.
Stockée ou de transfert ? Les briques d’un radiateur à accumulation, chauffées la nuit, gardent leur énergie thermique jusqu’au soir : elle est stockée. La lumière d’une lampe, elle, ne se met pas en réserve : c’est une énergie de transfert.
Réflexe — pour nommer une forme d’énergie, je me demande : y a-t-il un courant (électrique) ? un mouvement (cinétique) ? une hauteur (potentielle) ? quelque chose de chaud (thermique) ? de la lumière (lumineuse) ? une matière qui réagit ou brûle (chimique) ?
Attention — on dit énergie thermique, et non « énergie de chaleur ». Et une batterie pleine n’est pas un réservoir d’électricité : elle garde de l’énergie chimique et ne la rend sous forme électrique que lorsque l’objet fonctionne.
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Les conversions d’énergie des constituants
Dans un objet, l’énergie arrive le plus souvent sous forme électrique. Pour agir, elle doit changer de forme : c’est le rôle des convertisseurs, que la technologie appelle aussi actionneurs quand ils produisent l’action.
• Le moteur électrique convertit l’énergie électrique en énergie cinétique : un axe qui tourne (rotation).
• Le vérin électrique convertit l’énergie électrique en énergie cinétique : une tige qui sort ou rentre en ligne droite (translation).
• La lampe convertit l’énergie électrique en énergie lumineuse ; le radiateur (sa résistance chauffante) convertit l’énergie électrique en énergie thermique.
• La génératrice (une dynamo, un alternateur) fait l’inverse du moteur : elle convertit l’énergie cinétique en énergie électrique. Un panneau photovoltaïque convertit l’énergie lumineuse en énergie électrique.
• Un convertisseur fournit presque toujours aussi une énergie qui ne sert pas, le plus souvent thermique (il chauffe) : l’énergie utile est celle qu’on attend de lui, l’autre est dissipée dans l’air autour.
Les conversions à connaître
| Constituant | Énergie en entrée | Énergie utile en sortie | Énergie dissipée |
|---|---|---|---|
| moteur électrique | électrique | cinétique (rotation) | thermique |
| vérin électrique | électrique | cinétique (translation) | thermique |
| lampe | électrique | lumineuse | thermique |
| radiateur, résistance chauffante | électrique | thermique | — |
| génératrice (dynamo, alternateur) | cinétique | électrique | thermique |
| panneau photovoltaïque | lumineuse | électrique | thermique |
| batterie qui se décharge | chimique (stockée) | électrique | thermique |
| batterie qu’on recharge | électrique | chimique (stockée) | thermique |
Le moteur et la génératrice sont presque la même machine : un moteur dont on fait tourner l’axe peut fonctionner en génératrice. Une batterie, elle, convertit dans un sens quand on la recharge et dans l’autre quand on l’utilise.
Le hayon électrique. Deux vérins électriques le soulèvent : chacun convertit l’énergie électrique en énergie cinétique, sa tige sort en ligne droite. Un moteur aurait fourni une rotation.
L’hydrogénérateur d’un voilier. Pendant la navigation, une petite hélice traîne dans l’eau derrière le bateau et tourne. Sa génératrice convertit l’énergie cinétique de l’hélice en énergie électrique, qui recharge la batterie du bord.
Utile ou dissipée ? Le moteur d’un rasoir électrique tiédit pendant qu’il tourne : l’énergie thermique est dissipée, l’énergie cinétique est utile. Pour un chauffe-biberon, c’est l’énergie thermique qui est utile.
Réflexe — je regarde ce qui entre dans le constituant (le plus souvent un courant : énergie électrique), puis ce qu’il fait : il tourne ou pousse (cinétique), il éclaire (lumineuse), il chauffe (thermique), il fournit du courant (électrique).
Attention — le moteur et le vérin fournissent tous les deux de l’énergie cinétique : le moteur fait tourner, le vérin pousse en ligne droite. Et la génératrice ne « fabrique » pas d’énergie : elle convertit l’énergie du mouvement qu’on lui fournit.
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Les fonctions de la chaîne d’énergie
Pour comprendre comment un objet agit, on suit le parcours de son énergie, de l’entrée jusqu’à l’action. On le représente par une chaîne d’énergie : une suite de blocs, chacun réalisant une fonction.
• Distribuer : laisser passer l’énergie vers le convertisseur, ou la couper, et parfois la doser, quand on en donne l’ordre. Constituants : interrupteur (ou bouton-poussoir, qui ne laisse passer l’énergie que pendant l’appui), relais, variateur, carte de commande d’un moteur.
• Convertir : changer la forme de l’énergie pour produire l’action. Constituants : moteur, vérin, lampe, résistance chauffante.
• Transmettre : amener le mouvement du convertisseur jusqu’à la pièce qui agit, en l’adaptant (plus lent et plus fort, ou plus rapide). Constituants : engrenages, courroie et poulies, chaîne et pignons, axe. L’énergie reste cinétique.
• L’ordre qui arrive au bloc distribuer vient de l’utilisateur (il appuie sur un interrupteur) ou de la chaîne d’information de l’objet (une carte électronique qui décide).
La chaîne d’énergie d’une perceuse-visseuse sans fil
La batterie alimente (et stocke l’énergie entre deux utilisations) ; la gâchette, enfoncée plus ou moins par le doigt, distribue l’énergie au moteur et règle sa vitesse ; le moteur convertit l’énergie électrique en énergie cinétique ; le réducteur à engrenages transmet la rotation au mandrin, plus lentement mais avec plus de force pour visser.
| Fonction | Elle sert à… | Constituants courants |
|---|---|---|
| alimenter (et stocker) | fournir l’énergie | prise 230 V, pile, batterie, panneau solaire |
| distribuer | laisser passer ou couper l’énergie, sur ordre | interrupteur, relais, variateur, carte de commande |
| convertir | changer la forme de l’énergie | moteur, vérin, lampe, résistance chauffante |
| transmettre | amener le mouvement jusqu’à la pièce qui agit | engrenages, courroie, chaîne, axe |
Le treuil électrique d’une remorque à bateau. La batterie 12 V de la voiture alimente ; un relais, commandé par la télécommande, distribue l’énergie au moteur ; le moteur convertit ; un réducteur à engrenages transmet la rotation au tambour, qui enroule le câble et tire le bateau sur la remorque.
La hotte aspirante. La prise 230 V alimente ; les touches de vitesse et la carte de commande distribuent l’énergie au moteur ; le moteur convertit. Dans cette hotte, la turbine qui aspire l’air est montée directement sur l’axe du moteur : il n’y a pas d’autre constituant pour transmettre.
Réflexe — je suis l’énergie bloc par bloc : d’où vient-elle (alimenter) ? qui la laisse passer sur ordre (distribuer) ? qui change sa forme (convertir) ? qui amène le mouvement jusqu’à la pièce qui agit (transmettre) ?
Attention — un interrupteur placé sur le fil qui alimente un moteur distribue l’énergie ; un bouton relié à une carte électronique ne fait passer qu’une information : il appartient à la chaîne d’information. Et la batterie qui fournit l’énergie à l’objet reste dans « alimenter », même si elle stocke ; on ne dessine un bloc « stocker » à part que lorsqu’une autre source la recharge, comme le panneau solaire de la cabane (cas 4).
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Lire une chaîne d’énergie fournie et choisir une solution
Au collège, la chaîne d’énergie est souvent fournie sur un document : il faut la lire, dire quelle énergie entre et sort de chaque constituant, et reconnaître qu’une même fonction peut être réalisée de plusieurs façons.
• Dans un objet électrique, l’énergie reste électrique jusqu’au convertisseur : distribuer ne change pas sa forme. Après le convertisseur, elle a la forme de sa sortie (cinétique, lumineuse, thermique). Transmettre ne change pas sa forme non plus : elle reste cinétique.
• Rappel (chapitre « Évolution des objets ») : une fonction technique s’écrit avec un verbe (« transmettre la rotation au tambour ») ; une solution technique est le constituant qui la réalise (une courroie).
• Une même fonction peut être réalisée par plusieurs solutions techniques ; on choisit selon le besoin. Pour alimenter : la prise (rien à recharger, mais un fil), la pile ou la batterie (objet sans fil, durée limitée), le panneau solaire (l’énergie du Soleil est gratuite, mais seulement le jour). Pour distribuer : l’interrupteur (commandé à la main), le relais (commandé à distance par un petit courant), le variateur (qui dose l’énergie). Pour transmettre : les engrenages (axes proches, sans glissement), la courroie (silencieuse, sans graissage, mais une courroie lisse peut glisser), la chaîne (sans glissement entre deux axes éloignés, mais elle se graisse).
Lire une chaîne fournie : l’éclairage solaire d’une cabane de jardin
| Constituant | Énergie en entrée | Énergie en sortie |
|---|---|---|
| panneau solaire | lumineuse | électrique |
| batterie | électrique (le jour), stockée sous forme chimique | électrique (le soir) |
| interrupteur | électrique | électrique (il laisse passer ou coupe) |
| lampe à LED | électrique | lumineuse |
Deux solutions pour une même fonction. Dans un lave-linge, la fonction « transmettre la rotation du moteur au tambour » est souvent réalisée par une courroie et deux poulies ; d’autres modèles ont un moteur fixé directement sur l’axe du tambour, sans courroie.
Une chaîne à compléter. Une chaîne fournie montre : batterie → ? → moteur → engrenages → roues. Le bloc manquant est « distribuer » : par exemple la carte de commande du moteur, qui reçoit les ordres.
Un moteur dans la roue. Dans un hoverboard, chaque roue contient son propre moteur : la chaîne n’a pas de bloc « transmettre ».
Réflexe — pour une flèche, je regarde le bloc d’où elle part : avant le convertisseur, l’énergie est électrique ; juste après, c’est sa forme de sortie. Pour une fonction, je cherche le constituant qui réalise le verbe : fournir, laisser passer, changer la forme, amener le mouvement.
Attention — une flèche porte une forme d’énergie (« énergie électrique »), jamais le nom d’un objet ; et un bloc peut manquer : pas de « transmettre » quand la pièce qui agit est fixée sur l’axe du moteur, ni pour une lampe ou un radiateur.
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Pour aller plus loin
Revoir la 6e. Les formes d’énergie, les convertisseurs et la chaîne énergétique de la physique (réservoir dans un ovale, convertisseur dans un rectangle) : voir « Énergie : formes, conversions et ressources ».
En physique-chimie de 5e. L’énergie utile et dissipée, le joule, la conservation de l’énergie et le rendement : voir « Énergie : formes, conversions et chaînes énergétiques ».
La chaîne d’information. Les capteurs, les boutons et le microcontrôleur qui envoient les ordres au bloc distribuer : voir « Chaîne d’information : capteurs, microcontrôleur et boutons ».
Choisir une source d’énergie. Pour un prototype, on choisit parmi les sources proposées celle qui répond au besoin : voir « Prototype : assembler, fabriquer et choisir parmi des solutions ».
En 4e et en 3e. On identifiera seul les constituants d’un objet réel, on suivra les flux d’énergie et on dessinera la chaîne d’énergie complète ; les mécanismes de transmission et de transformation de mouvement (rapport des engrenages, pignon et crémaillère) seront étudiés en détail.
- Formes d’énergie : électrique, cinétique (mouvement), potentielle (hauteur), thermique, lumineuse, et chimique (pile, batterie, carburant). Électrique et lumineuse sont des énergies de transfert.
- Un convertisseur change la forme de l’énergie : moteur et vérin (électrique → cinétique), lampe (électrique → lumineuse), radiateur (électrique → thermique), génératrice (cinétique → électrique).
- Chaîne d’énergie : alimenter (et stocker) → distribuer (sur ordre) → convertir → transmettre → action.
- Constituants : batterie, pile, prise (alimenter) ; interrupteur, relais, variateur (distribuer) ; moteur, vérin, lampe (convertir) ; engrenages, courroie, chaîne (transmettre).
- Sur chaque flèche, la nature de l’énergie : électrique jusqu’au convertisseur, puis sa forme de sortie. Une même fonction peut avoir plusieurs solutions techniques.
Questions fréquentes
Quelles sont les formes d’énergie à connaître en technologie ?
L’énergie électrique (le courant), cinétique (le mouvement), potentielle (la hauteur, on dit aussi énergie de position), thermique (ce qui est chaud) et lumineuse (la lumière), auxquelles s’ajoute l’énergie chimique stockée dans une pile, une batterie ou un carburant. Électrique et lumineuse sont des énergies de transfert : elles ne se mettent pas en réserve.
Que convertissent un moteur, une lampe, un radiateur et une génératrice ?
Le moteur convertit l’énergie électrique en énergie cinétique (rotation) ; le vérin aussi, mais en ligne droite. La lampe convertit l’énergie électrique en énergie lumineuse, le radiateur en énergie thermique. La génératrice (dynamo, alternateur) fait l’inverse du moteur : elle convertit l’énergie cinétique en énergie électrique.
Quelles sont les fonctions de la chaîne d’énergie ?
Alimenter (fournir l’énergie : prise, pile, batterie ; la pile et la batterie la stockent aussi), distribuer (laisser passer ou couper l’énergie sur ordre : interrupteur, relais, variateur), convertir (changer sa forme : moteur, vérin, lampe) et transmettre (amener le mouvement jusqu’à la pièce qui agit : engrenages, courroie, chaîne).
Quelle énergie écrire sur les flèches d’une chaîne d’énergie ?
La nature de l’énergie qui passe d’un bloc au suivant. Dans un objet électrique, elle est électrique jusqu’au convertisseur ; après, elle a la forme de sa sortie : cinétique pour un moteur, lumineuse pour une lampe, thermique pour un radiateur. Transmettre ne change pas la forme.
Une batterie et un interrupteur, à quoi servent-ils dans une chaîne d’énergie ?
La batterie réalise la fonction alimenter : elle stocke l’énergie sous forme chimique et la fournit sous forme électrique. L’interrupteur réalise la fonction distribuer : il laisse passer ou coupe l’énergie vers le convertisseur quand on l’actionne ; un relais fait de même, commandé à distance.
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