AirPod ★★★★

D'après Bac STI2D 2017

Mise en situation

La société MDI basée au Luxembourg conçoit, développe et produit une gamme de solutions techniques autour de sa technologie à air comprimé.

Transports, véhicules utilitaires et de collecte des déchets, production et stockage de l’énergie pneumatique sont les domaines couverts par cette gamme. MDI travaille aussi au développement des stations d’air (fixes et mobiles) permettant le remplissage de ses véhicules en seulement deux minutes.

Les moteurs pneumatiques MDI sont réversibles et peuvent fonctionner en mode compresseur.

Il suffit donc de brancher le véhicule sur une simple prise électrique pour faire le plein d’air. Sur une prise dont l'intensité maximum est de 32 A sous 230 V, 3 heures et 30 minutes sont nécessaires pour une recharge complète.

L'étude concerne principalement le véhicule nommé « AirPod », visible sur les images ci-dessus et dont les caractéristiques techniques sont données en DT9.

Problématique générale

L'étude portera sur l'évaluation de la compétitivité technique du véhicule « AirPod » utilisé dans le domaine des transports, en particulier son autonomie.

Pour pouvoir vendre l’« AirPod » en Europe, la société MDI doit se conformer à la législation concernant les véhicules à quatre roues, celui-ci doit donc être classé dans une catégorie administrative.

Question 1. Désigner dans quelle sous-catégorie le véhicule « AirPod » est classé. Indiquer trois critères techniques permettant de confirmer le classement dans cette sous-catégorie. (DT9, DT10)

Le véhicule « AirPod » utilise principalement l'énergie pneumatique stockée dans des réservoirs d'air comprimé pour assurer les fonctions : se déplacer sur le sol, se diriger, commander la boîte de vitesses automatique.

Question 2. Sur le document DR7, identifier le flux d'énergie partant des réservoirs d'air comprimé pour assurer la fonction déplacer le véhicule sur le sol, en le surlignant. Calculer, à l’aide du tableau du DT11, le rendement global $\eta_G$ de cette chaîne d'énergie pour le véhicule « AirPod ».

On définit la relation de l'énergie pneumatique $E$ [J] contenue dans un réservoir d'air de volume $V$ [m3] à la pression $p$ [Pa] par $E=p \times V$(1 bar = $10^5$ Pa).

Question 3. Calculer l'énergie pneumatique totale $E_{PT}$en joule [J] disponible dans les réservoirs d'air comprimé. Calculer l'énergie mécanique Em en J puis en kW·h transmissible au sol par les roues motrices, sachant que l'on considère un rendement global du véhicule « AirPod » de 60 % (1 kW·h = 3 600 x $10^3$ J). (DT9)

La vitesse moyenne d'un véhicule en réseau urbain est de 24 km·h-1. On considère que le véhicule « AirPod » se déplace sur un sol horizontal. Le moteur pneumatique est réversible, on suppose alors que l'énergie absorbée pour accélérer est récupérée lors du freinage.

Question 4. À l'aide de la courbe du document DT11, déterminer, pour cette vitesse, la valeur de la résistance aérodynamique . En additionnant toutes les composantes horizontales des actions mécaniques (sur l'axe X) qui s'opposent au déplacement du véhicule « AirPod » (voir schéma ci-dessous), calculer la puissance $P_{24}$ en W nécessaire pour assurer un déplacement à la vitesse de 24 km/h. On définit la relation de la puissance $P$ [W], d'une force $F$ [N] se déplaçant à la vitesse $V$ [m·s-1] par $P=F \times V$.

Schéma pour l'« AirPod » se déplaçant à la vitesse de 24 km·h-1 :

L'énergie mécanique disponible est égale à 1kW·h. Pour une vitesse moyenne constante de 24 km·h-1, on considère que la puissance moyenne nécessaire pour déplacer le véhicule « AirPod » est de 300W.

Question 5. Dans ces conditions, calculer le temps de fonctionnement en heures et l'autonomie en kilomètres du véhicule « AirPod ».

Question 6. À partir du questionnement précédent, justifier en quoi le véhicule « AirPod » est un véhicule urbain.