Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2024 · Métropole - Innovation Technologique et Eco-conception (ITEC)

Mise en situation

Le projet d'un téléphérique urbain, de 3 km, à Toulouse, reliant l'Oncopole à l'Université Paul Sabatier (UPS), et passant par le CHU de Rangueil, a été inauguré le 13 mai 2022 sous le nom de Téléo.

Trois gares ont été implantées: une gare motrice au niveau de l'Université Paul Sabatier (UPS), une gare retour à l'Oncopole (ONC) et une gare intermédiaire au CHU de Rangueil (CHU).

Le choix d'un téléphérique urbain

Le choix d'un téléphérique et le tracé ont été choisis pour proposer une alternative efficace aux véhicules personnels qui circulent sur un réseau saturé. En effet, la rocade de Toulouse est très souvent embouteillée aux heures de pointe.

Particularités du type de téléphérique à câbles retenu

Le téléphérique est de type 3S; constitué de trois câbles: un câble tracteur et deux câbles porteurs. Le câble tracteur met en mouvement les cabines et les deux câbles porteurs supportent le déplacement de l'ensemble chariot, suspente et cabine.

Partie 1: le téléphérique de Toulouse Téléo est-t-il une solution de mobilité urbaine durable et environnementale ?

En voiture, le trajet de 7,4 km entre la gare de l'Université Paul Sabatier (UPS) et la gare de l'Oncopole, dure en moyenne 14 minutes en temps normal et 28 minutes en heures de pointe. La distance parcourue par le téléphérique entre la gare de l'Université Paul Sabatier et la gare Oncopole est de 3 km.

DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

DT2: évolution des parts des modes de transport (en nombre de déplacements) en France métropolitaine entre 2008 et 2019

DT3: caractéristiques des différentes typologies des télécabines à mouvement unidirectionnel continu

DT4: comparatif des émissions de gaz à effet de serre de différents modes de transport

DT5: document d'informations du téléphérique réalisé par TISSEO

1.1

À partir du document DT2, citer le mode de transport qui reste majoritairement utilisé en France métropolitaine pour les déplacements en 2019:

Indiquer l'évolution des parts des modes de transport de la voiture et des transports en commun entre 2008 et 2019:

1.3

En voiture, le trajet de 7,4 km entre la gare de l'Université Paul Sabatier (UPS) et la gare de l'Oncopole dure en moyenne 14 minutes en temps normal et 28 minutes en heures de pointe. La distance parcourue par le téléphérique entre ces deux gares est de 3 km.

Calculer, en minutes, la durée du trajet en téléphérique à la vitesse de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ en tenant compte d'un arrêt de 20 s en gare du CHU de Rangueil:

min

Calculer, en minutes, pour le même parcours, le gain de temps réalisé par rapport au transport en voiture en temps normal et en heures de pointe:

min

min

1.4

À l'aide des documents DT4 et DT5, calculer le rapport des émissions de gaz à effet de serre du mode de transport par voiture sur le mode de transport par téléphérique:

Comparer la valeur trouvée précédemment avec la valeur communiquée par TISSEO (DT5):

1.5

Justifier l'utilité du téléphérique de Toulouse, d'un point de vue fonctionnel et environnemental:

Mise en situation

Le projet d'un téléphérique urbain, de 3 km, à Toulouse, reliant l'Oncopole à l'Université Paul Sabatier (UPS), et passant par le CHU de Rangueil, a été inauguré le 13 mai 2022 sous le nom de Téléo.

Trois gares ont été implantées: une gare motrice au niveau de l'Université Paul Sabatier (UPS), une gare retour à l'Oncopole (ONC) et une gare intermédiaire au CHU de Rangueil (CHU).

Le choix d'un téléphérique urbain

Le choix d'un téléphérique et le tracé ont été choisis pour proposer une alternative efficace aux véhicules personnels qui circulent sur un réseau saturé. En effet, la rocade de Toulouse est très souvent embouteillée aux heures de pointe.

Particularités du type de téléphérique à câbles retenu

Le téléphérique est de type 3S; constitué de trois câbles: un câble tracteur et deux câbles porteurs. Le câble tracteur met en mouvement les cabines et les deux câbles porteurs supportent le déplacement de l'ensemble chariot, suspente et cabine.

Partie 1: le téléphérique de Toulouse Téléo est-t-il une solution de mobilité urbaine durable et environnementale ?

En voiture, le trajet de 7,4 km entre la gare de l'Université Paul Sabatier (UPS) et la gare de l'Oncopole, dure en moyenne 14 minutes en temps normal et 28 minutes en heures de pointe. La distance parcourue par le téléphérique entre la gare de l'Université Paul Sabatier et la gare Oncopole est de 3 km.

DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

DT2: évolution des parts des modes de transport (en nombre de déplacements) en France métropolitaine entre 2008 et 2019

DT3: caractéristiques des différentes typologies des télécabines à mouvement unidirectionnel continu

DT4: comparatif des émissions de gaz à effet de serre de différents modes de transport

DT5: document d'informations du téléphérique réalisé par TISSEO

Question 1.2

a)

Relever toutes les valeurs associées à l'exigence « besoin performance » concernant le débit attendu de passagers.

b)

Justifier la typologie de télécabines à mouvement unidirectionnel continu retenue pour le téléphérique de Toulouse.

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entraînement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entraînement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entraînement principal du câble tracteur

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entraînement principal du câble tracteur:

Système d'entraînement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraîne la poulie motrice.

Système d'entraînement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entraînement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales.

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe.

DT6: système d'entraînement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entraînement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier

Le système d'entraînement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entraînement: Les moteurs M1 et/ou M2 entraînent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entraîner seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entraîner le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

UPS = Université Paul Sabatier | CHU = Centre Hospitalier Universitaire | ONC = Oncopole

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

À partir du document technique DT6, répondre aux questions suivantes:

2.1.a

2.1.b

2.1.c

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entraînement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entraînement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entraînement principal du câble tracteur

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entraînement principal du câble tracteur:

Système d'entraînement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraîne la poulie motrice.

Système d'entraînement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entraînement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales.

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe.

DT6: système d'entraînement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entraînement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier

Le système d'entraînement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entraînement: Les moteurs M1 et/ou M2 entraînent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entraîner seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entraîner le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

UPS = Université Paul Sabatier | CHU = Centre Hospitalier Universitaire | ONC = Oncopole

Question 2.2 (DR1)

Compléter les diagrammes ibd partiels des systèmes d'entraînement principaux 1 et 2, en précisant la nature des flux d'énergies en utilisant les termes suivants:

Termes proposés: énergie électrique modulée – énergie mécanique de rotation adaptée – énergie mécanique de rotation – énergie électrique

1.

2.

3.

4.

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entraînement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entraînement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entraînement principal du câble tracteur

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entraînement principal du câble tracteur:

Système d'entraînement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraîne la poulie motrice.

Système d'entraînement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entraînement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales.

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe.

DT6: système d'entraînement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entraînement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier

Le système d'entraînement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entraînement: Les moteurs M1 et/ou M2 entraînent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entraîner seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entraîner le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

UPS = Université Paul Sabatier | CHU = Centre Hospitalier Universitaire | ONC = Oncopole

Questions 2.4 à 2.6: Étude cinématique et puissance mécanique

Question 2.4

Relever la vitesse maximale et la durée du trajet en secondes pour le fonctionnement à vitesse 2 entre les gares UPS et Oncopole.

Comparer la durée du trajet UPS-Oncopole en téléphérique à la durée du même trajet en voiture qui est de 14 minutes en temps normal.

Compléter les trois premières lignes du document réponses DR3 ci-dessous.

Question 2.5

Le document technique DT6 présente le système d'entraînement principal. Le diamètre d'une poulie motrice est de $4{,}55\text{ m}$. Les vitesses des cabines sont de $6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ pour V1 et de $6{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ pour V2.

Calculer la vitesse angulaire d'une poulie motrice en $\text{rad}\cdot\text{s}^{-1}$ pour la vitesse 2. Reporter la valeur sur le DR3.

Grandeur / Paramètre

Vitesse 1

Vitesse 2

Q2.4 Vitesse max atteinte en $\text{m}\cdot\text{s}^{-1}$

$6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$

m·s⁻¹

Q2.4 Durée du trajet en $\text{s}$

$560\text{ s}$

s

Q2.4 > ou < au temps normal en voiture ($14\text{ min}$)

<

Q2.5 Vitesse angulaire des poulies motrices en $\text{rad}\cdot\text{s}^{-1}$

$\omega_{\text{poulie}} = 2{,}64\text{ rad}\cdot\text{s}^{-1}$

rad·s⁻¹

Q2.6 Puissance mécanique fournie par le moteur en $\text{kW}$

$P_1 = 809{,}67\text{ kW}$

$P_2 = 917{,}6\text{ kW}$

Question 2.6

Le couple de la poulie motrice est égal à $307\text{ kN}\cdot\text{m}$ quelle que soit la vitesse des cabines.

Vérifier que la puissance mécanique fournie par le moteur pour la vitesse 2 est $917{,}6\text{ kW}$.

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entraînement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entraînement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entraînement principal du câble tracteur

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entraînement principal du câble tracteur:

Système d'entraînement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraîne la poulie motrice.

Système d'entraînement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entraînement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales.

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe.

DT6: système d'entraînement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entraînement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier

Le système d'entraînement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entraînement: Les moteurs M1 et/ou M2 entraînent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entraîner seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entraîner le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

UPS = Université Paul Sabatier | CHU = Centre Hospitalier Universitaire | ONC = Oncopole

2.3

À partir du DR1, calculer les rendements globaux $r_1$ et $r_2$ des systèmes d'entraînement principaux 1 et 2.

2.7

Le rendement global variateur-moteur est de 95% pour les deux plages horaires. Calculer la puissance électrique consommée par le moteur en kW pour la vitesse 2 ($P_2 = 917{,}6\text{ kW}$). Reporter la valeur sur le DR3.

kW

2.8

La durée de fonctionnement à la vitesse 2 est de 2 heures par jour. Calculer l'énergie totale consommée en une journée par le moteur en $\text{kW}\cdot\text{h}$ pour la vitesse 2. Reporter la valeur sur le DR3.

kW·h

2.10

Conclure sur les moyens mis en œuvre pour réduire la consommation énergétique du système motorisé d'entraînement principal du câble tracteur, tout en gardant un service rendu satisfaisant à l'utilisateur.

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entraînement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entraînement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entraînement principal du câble tracteur

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entraînement principal du câble tracteur:

Système d'entraînement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraîne la poulie motrice.

Système d'entraînement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entraînement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales.

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe.

DT6: système d'entraînement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entraînement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier

Le système d'entraînement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entraînement: Les moteurs M1 et/ou M2 entraînent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entraîner seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entraîner le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

UPS = Université Paul Sabatier | CHU = Centre Hospitalier Universitaire | ONC = Oncopole

Lorsque la vitesse des cabines est fixée à sa valeur maximale, l'énergie consommée en une journée par le moteur est de $19\,200\text{ kW}\cdot\text{h}$.

Lorsque le déplacement des cabines est géré en fonction des deux vitesses $V_1$ et $V_2$, l'énergie consommée en une journée par le moteur est de $15\,569\text{ kW}\cdot\text{h}$.

2.9

En sachant que le prix TTC du $\text{kW}\cdot\text{h}$ est de $0{,}075\text{ €}$, calculer l'économie journalière en euros réalisée par la mise en œuvre d'une variation de vitesse des cabines. Reporter la valeur sur le DR3.

€

Partie 3: comment faciliter l'accès du Téléo aux personnes à mobilité réduite (P.M.R.) ?

Tous les moyens de transport, y compris les téléphériques, doivent être accessibles aux personnes en situation de handicap.

Zone « parking » Oncopole:

Question 3.1

À partir du document technique DT8, vérifier la conformité du parking vis-à-vis des quatre exigences manquantes de la réglementation à savoir: situation, nombre, caractéristiques dimensionnelles, atteintes et usages.

EXIGENCES

OUI/NON

JUSTIFICATION

Situation

Places de stationnement adaptées localisées à proximité d'une entrée

Repérage

Présence d'un marquage au sol

Oui

Indiqué sur la vue en plan

Présence d'une signalisation verticale

Oui

Indiqué sur le repérage

Nombre

2% du nombre total de places de parking

Caractéristiques dimensionnelles

Devers inférieur ou égal à 2%

Largeur minimale des places adaptées est de 3,30m

Longueur minimale des places adaptées est de 5 m.

Atteinte et usage

Appareils d'interphonie munis d'un système permettant de visualiser le conducteur.

Rampe d'accès nord de la gare Oncopole:

Question 3.2

À partir du document technique DT9, calculer la pente moyenne en % entre les profils 1N et 6N.

%

Question 3.3

Lorsqu'une dénivellation ne peut être évitée, un plan incliné de pente inférieure ou égale à 6 % doit être aménagé afin de la franchir.

Conclure quant à la conformité de la zone « parking Oncopole » y compris la rampe d'accès nord vis-à-vis de la réglementation.

Partie 4: comment identifier une personne à distance ?

Le site comprend 280 caméras connectées au réseau informatique local.

Configuration du réseau informatique:

Le réseau de vidéoprotection est structuré autour d'un réseau local reliant les différentes gares du téléphérique (Université Paul Sabatier, Oncopole, Centre Hospitalier Universitaire). Un masque de sous-réseau 255.255.0.0 peut aussi s'écrire « /16 ».

Identification de la personne:

Le schéma simplifié ci-dessous représente la zone surveillée par la caméra V_CHU01:

Quand une cabine se présente à la gare CHU, le quai est filmé par une caméra positionnée à une distance de 6 mètres face aux portes de la cabine. Son angle de vue horizontal est de 70°.

DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

DT10: besoin en vidéoprotection

Partie 4: comment identifier une personne à distance ?

Le site comprend 280 caméras connectées au réseau informatique local.

Configuration du réseau informatique:

Le document réponses DR2 représente de manière simplifiée le réseau de vidéoprotection limité à quatre caméras par gare.

Rappel: un masque de sous-réseau 255.255.0.0 peut aussi s'écrire « /16 ».

Question 4.1

Compléter le DR2 en proposant des adresses IP compatibles avec leurs masques de sous-réseau associés pour les caméras de la gare CHU.

V_CHU01:

/

V_CHU02:

/

V_CHU03:

/

V_CHU04:

/

Question 4.2

Déterminer le nombre maximal de clients que l'on peut adresser sur ce réseau.

Valider le choix d'un masque « /16 » pour adresser l'ensemble des 280 caméras du site.

Partie 4: comment identifier une personne à distance ?

Le site comprend 280 caméras connectées au réseau informatique local.

Configuration du réseau informatique:

Le réseau de vidéoprotection est structuré autour d'un réseau local reliant les différentes gares du téléphérique (Université Paul Sabatier, Oncopole, Centre Hospitalier Universitaire). Un masque de sous-réseau 255.255.0.0 peut aussi s'écrire « /16 ».

Identification de la personne:

Le schéma simplifié ci-dessous représente la zone surveillée par la caméra V_CHU01:

Quand une cabine se présente à la gare CHU, le quai est filmé par une caméra positionnée à une distance de 6 mètres face aux portes de la cabine. Son angle de vue horizontal est de 70°.

DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

DT10: besoin en vidéoprotection

Identification de la personne:

Le schéma simplifié ci-dessous représente la zone surveillée par la caméra V_CHU01:

Quand une cabine se présente à la gare CHU, le quai est filmé par une caméra positionnée à une distance de 6 mètres face aux portes de la cabine. Son angle de vue horizontal est de 70°.

Question 4.3

À partir du schéma simplifié en vue de dessus, calculer la largeur de la zone surveillée en m.

La largeur de la zone surveillée est de 8,5 mètres.

Question 4.4

En sachant que la caméra a une résolution horizontale de 2 688 pixels, calculer la largeur en cm que représente 1 pixel sur l'image captée par la caméra.

Consulter les documents DT1 (diagramme d'exigences) et DT10 (besoin en vidéoprotection) ci-dessous:

Question 4.5

Citer le type de besoin opérationnel imposé par le cahier des charges fonctionnel concernant la vidéoprotection.

En déduire le nombre minimum de pixels horizontaux pour filmer un visage.

La largeur d'un pixel sur l'image captée représente 0,32 cm.

Question 4.6

En considérant qu'une personne a une largeur de visage de 16 cm, justifier par un calcul et une comparaison que l'exigence sur l'identification des personnes est bien validée.

Partie 5: comment assurer le confort thermique des passagers d'une cabine ?

La cabine ne dispose pas de fenêtres ouvrantes. En cas d'arrêt prolongé en plein soleil, la température intérieure peut atteindre des valeurs difficilement supportables pour les passagers.

Principe de fonctionnement de la ventilation:

Le principe de la ventilation de la cabine est présenté sur le DT11. Quatre fonctionnements sont possibles:

En fonctionnement NORMAL, la cabine est en mouvement et elle se ventile naturellement grâce aux grilles d'aération hautes et basses. Sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent et tout l'air est rejeté à l'arrière de la cabine du fait de son déplacement.

En fonctionnement ARRET PROLONGÉ, sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent tout comme le ventilateur d'extraction (VEX) qui extrait l'air de la cabine entrant par les grilles d'aération.

En fonctionnement EXTRACTION, avec ou sans passager(s), tous les ventilateurs fonctionnent.

En fonctionnement PARKING, tous les ventilateurs sont arrêtés.

En plus de la ventilation, les concepteurs ont équipé la cabine de deux spoilers, un à l'avant et un à l'arrière.

DT11: principe de la ventilation de la cabine

La ventilation passive est réalisée grâce à des grilles d'aération en bas et au plafond à l'avant et à l'arrière de la cabine. La ventilation active est réalisée par des ventilateurs situés en bas de la cabine (VB) et en toiture (VEX). Un détecteur de mouvements fixé au plafond détecte la présence de passagers (DP).

Le spoiler est un élément de carrosserie dont la forme a été étudiée pour canaliser le flux d'air. Il permet de diminuer les turbulences et d'améliorer le débit d'air.

Résultats des tests de confort thermique:

Date du test: 21 juin 2022

Température extérieure: 37,5 °C

Relevés des températures ambiantes à l'intérieur de la cabine:

Test

Spoiler AR

Spoiler AV

Fonctionnement normal

Arrêt prolongé

Test n°1

retiré

retiré

38,5 °C

44 °C

Test n°2

en place

retiré

38 °C

42,7 °C

Test n°3

retiré

en place

38,5 °C

42,7 °C

Test n°4

en place

en place

37,7 °C

42 °C

Spoiler AR = spoiler à l'arrière de la cabine | Spoiler AV = spoiler à l'avant de la cabine

5.1

Citer l'exigence imposée concernant le confort thermique de la cabine en fonctionnement normal et en arrêt prolongé par temps chaud (se référer au diagramme des exigences DT1).

5.2

Compléter le document réponses DR5 en représentant avec des flèches les flux d'air entrant et sortant de la cabine en présence de passagers en fonctionnement NORMAL et en ARRÊT PROLONGÉ.

Exemple donné sur DR5 (sans passager):

5.5

En plus de la ventilation, les concepteurs ont équipé la cabine de deux spoilers, un à l'avant et un à l'arrière.

À partir des résultats des tests de confort thermique (DT11, pour une température extérieure de $37{,}5\ ^\circ\text{C}$), montrer que seul ce choix permet de répondre aux exigences de confort imposées.

Partie 5: comment assurer le confort thermique des passagers d'une cabine ?

La cabine ne dispose pas de fenêtres ouvrantes. En cas d'arrêt prolongé en plein soleil, la température intérieure peut atteindre des valeurs difficilement supportables pour les passagers.

Principe de fonctionnement de la ventilation:

Le principe de la ventilation de la cabine est présenté sur le DT11. Quatre fonctionnements sont possibles:

En fonctionnement NORMAL, la cabine est en mouvement et elle se ventile naturellement grâce aux grilles d'aération hautes et basses. Sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent et tout l'air est rejeté à l'arrière de la cabine du fait de son déplacement.

En fonctionnement ARRET PROLONGÉ, sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent tout comme le ventilateur d'extraction (VEX) qui extrait l'air de la cabine entrant par les grilles d'aération.

En fonctionnement EXTRACTION, avec ou sans passager(s), tous les ventilateurs fonctionnent.

En fonctionnement PARKING, tous les ventilateurs sont arrêtés.

En plus de la ventilation, les concepteurs ont équipé la cabine de deux spoilers, un à l'avant et un à l'arrière.

DT11: principe de la ventilation de la cabine

La ventilation passive est réalisée grâce à des grilles d'aération en bas et au plafond à l'avant et à l'arrière de la cabine. La ventilation active est réalisée par des ventilateurs situés en bas de la cabine (VB) et en toiture (VEX). Un détecteur de mouvements fixé au plafond détecte la présence de passagers (DP).

Le spoiler est un élément de carrosserie dont la forme a été étudiée pour canaliser le flux d'air. Il permet de diminuer les turbulences et d'améliorer le débit d'air.

Résultats des tests de confort thermique:

Date du test: 21 juin 2022

Température extérieure: 37,5 °C

Relevés des températures ambiantes à l'intérieur de la cabine:

Test

Spoiler AR

Spoiler AV

Fonctionnement normal

Arrêt prolongé

Test n°1

retiré

retiré

38,5 °C

44 °C

Test n°2

en place

retiré

38 °C

42,7 °C

Test n°3

retiré

en place

38,5 °C

42,7 °C

Test n°4

en place

en place

37,7 °C

42 °C

Spoiler AR = spoiler à l'arrière de la cabine | Spoiler AV = spoiler à l'avant de la cabine

Question 5.3

Les bits B0 et B1 permettent de coder le mode de fonctionnement de la ventilation.

Un niveau logique 0 sur VB ou VEX signifie que le ventilateur est à l'arrêt (1 = en fonctionnement).

Un niveau logique 1 sur DP signifie qu'une personne est détectée dans la cabine.

Compléter la table de vérité de la commande des ventilateurs bas ( VB).

Fonctionnement

B1

B0

DP

VB

VEX

NORMAL

0 · 0 · 0

0

0

0 · 0 · 1

0

ARRÊT PROLONGÉ

0 · 1 · 0

0

0 · 1 · 1

1

EXTRACTION

1 · 0 · 0

1

1 · 0 · 1

1

PARKING

1 · 1 · 0

0

1 · 1 · 1

0

Question 5.4

Compléter l'algorigramme du pilotage des ventilateurs en utilisant les termes: activer ou arrêter.

Fonctionnement NORMAL

Présence de passagers (oui):

VB

Présence de passagers (non):

VB

Sortie commune:

VEX

Fonctionnement ARRÊT PROLONGÉ

Présence de passagers (oui):

VB |

VEX

Présence de passagers (non):

VB |

VEX

Fonctionnement EXTRACTION

Actions:

VB |

VEX

Fonctionnement PARKING

Actions:

VB |

VEX

Mise en situation

La sécurité des usagers est une priorité absolue dans la conception de tout produit de transport. Les concepteurs accordent une attention particulière à cet aspect en choisissant soigneusement les matériaux utilisés et en maîtrisant les efforts auxquels ils seront soumis. Le dimensionnement et la réalisation du téléphérique dépendent de ces choix cruciaux pour garantir la sécurité des personnes transportées.

Travail demandé – Partie A: comment diminuer les efforts sur le groupe moteur ?

Téléo est un moyen de transport innovant permettant de relier deux points séparés par un fleuve et une zone protégée. C'est un téléphérique débrayable à mouvement continu bi-porteur et mono tracteur aussi appelée « 3S ». L'installation de ce système nécessite un groupe moteur pour entraîner les véhicules à l'aide d'un câble tracteur. Afin de minimiser les impacts environnementaux, il est essentiel de réduire les efforts sur le groupe moteur.

Le parcours de la ligne entre deux pylônes (P1, P2, P3, P4, P5) ou entre un pylône et une station (Oncopole, CHU, UPS) est appelé une portée.

Hypothèses

Le véhicule avance à vitesse constante sur chaque portée (cas de statique).

Les efforts dus au vent et aux frottements des galets sur les câbles porteurs sont négligés.

L'accélération de la pesanteur $g = 9{,}81\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}$.

Document technique DTS3: présentation des véhicules en configuration 3S

Le chariot est serré sur le câble tracteur par des pinces débrayables, alors que le roulement sur les câbles porteurs est assuré par huit galets porteurs. Les pinces débrayables permettent aux véhicules de se séparer du câble tracteur en gare et ainsi pouvoir modifier la vitesse du véhicule pour laisser le temps aux passagers de descendre et de monter. Le chariot est relié à la cabine par la suspente. L'ensemble de ces trois constituants forme le véhicule.

Configuration 3S

Nombre de câbles porteurs

2

Nombre de câble tracteur

1

Masse d'un véhicule à vide

4 000 kg

Nombre max de passagers

34

A.1

A.2

On isole le véhicule. Énoncer les actions mécaniques extérieures qui agissent sur le véhicule:

A.3

La masse d'une personne est estimée à 80 kg. Exprimer puis calculer le poids total du véhicule avec sa charge maximale:

A.4

Représenter en tenant compte de l'échelle donnée la résultante du poids total du véhicule avec sa charge maximale d'une intensité de 67 000 N par un vecteur $\vec{P}$ sur le document réponse DRS1.

A.5

Exprimer la nature du contact dans le plan entre un galet du chariot et le câble porteur dans la représentation du document réponse DRS1. Justifier la direction et le sens de la résultante $\vec{F}_A$ dans la représentation du document réponse DRS1:

A.6

À l'aide du schéma suivant, exprimer puis calculer l'intensité de la résultante $F_A$ en N en fonction de $P$ (intensité du poids total prise à 67 000 N) et $\alpha$ l'angle de la pente ($\alpha = 23^\circ$):

A.7

Mesurer ou calculer l'intensité de la résultante $F_B$ dans la représentation du document réponse DRS1:

Les câbles porteurs sont ancrés en gare d'extrémité sur des tommes d'ancrage. La boucle de câble tracteur est entraînée par une poulie motrice.

La poulie motrice qui entraîne le câble tracteur possède un diamètre de 4,55 mètres. L'arbre moteur est en prise directe avec la poulie, sans réducteur. Le couple moteur en $\mathrm{N\cdot m}$ est égal au couple de la poulie motrice en $\mathrm{N\cdot m}$.

A.8

Calculer l'intensité du couple $C$ que doit fournir le moteur pour maintenir un véhicule à l'équilibre lorsque l'intensité de la résultante des actions mécaniques du câble tracteur sur le véhicule est de 26 000 N:

A.9

Expliquer l'évolution du couple moteur nécessaire pour maintenir une seule cabine en équilibre en fonction de sa position sur le parcours, en montée et en descente:

A.10

Conclure sur la nécessité de répartir les cabines pour diminuer les efforts sur le moteur:

Partie B: comment dimensionner le câble tracteur d’un téléphérique urbain ?

Le câble tracteur est continu et forme une boucle allant de la station de l’Oncopole à la station de l’Université Paul Sabatier. Ce câble toronné assure la fonction unique de tracter le véhicule entre les stations. Afin de diminuer les efforts sur le groupe moteur, le câble tracteur doit être léger et résistant.

Le câble a une longueur totale de $6\text{ km}$, il est composé d’une âme et de 6 torons.

Les efforts exercés sur le câble tracteur sont, dans un premier temps, considérés comme entièrement repris par les 6 torons uniquement.

Document technique DTS1: tableau des caractéristiques mécaniques des matériaux

Matériau

$E$ (GPa)

$R_e$ (MPa)

$\rho$ (kg·m⁻³)

Acier Ordinaire · 210 · 500 · 7850

Acier hautes caractéristiques · 210 · 1770 · 7850

Alliages aluminium · 70 · 300 · 2800

Titane · 110 · 650 · 4500

Polyéthylène haute densité · 0,7 · 35 · 960

Polycarbonate · 2,3 · 72 · 1210

Nylon · 3,2 · 160 · 1140

Composites renforcés fibre de carbone · 150 · 1000 · 1800

$E$: module d'élasticité en GPa; $R_e$: résistance à la traction maximale en MPa; $\rho$: masse volumique en kg·m⁻³.

B.1

La réglementation impose un coefficient de sécurité $Cs$ de 5. Les torons sont en acier hautes caractéristiques. Calculer la contrainte maximale $\sigma_{max}$ admissible par le câble tracteur en MPa.

MPa

B.2

Le câble est soumis à un effort normal maximal de $320\,000\text{ N}$. Déterminer la surface minimale $S_{min}$ en $\text{mm}^2$ des torons du câble tracteur.

mm²

Document technique DTS2: caractéristiques du câble tracteur

Le câble a une longueur de $6\text{ km}$, il est composé d'une âme et de 6 torons. Les espaces inter-torons et l'âme sont en polycarbonate afin de limiter la génération de vibrations et réduire les émissions sonores. Les torons sont en acier hautes caractéristiques.

Références

Diamètre

Section (6 torons sans l'âme)

Masse linéique

mm

mm²

kg·m⁻¹

6x26WSRx40.5 · 40.5 · 654 · 5,80

6x26WSRx42 · 42 · 715 · 6,34

6x31WSRx45 · 45 · 801 · 7,27

6x31WSRx46 · 46 · 837 · 7,56

6x31WSRx48 · 48 · 922 · 8,29

6x36WSRx50 · 50 · 993 · 8,96

6x36WSRx52 · 52 · 1074 · 9,70

B.3

Sélectionner le câble tracteur garantissant un coefficient de sécurité de 5 tout en minimisant le poids. Indiquer sa référence.

Le module de Young équivalent du câble tracteur choisi avec une âme en polycarbonate et les six torons en acier hautes caractéristiques est de $115\text{ GPa}$.

Le câble tracteur est soumis à une contrainte normale $\sigma$ de $170\text{ MPa}$.

B.4

Sachant que $\sigma = E \times \varepsilon$, calculer l’allongement relatif $\varepsilon$ du câble.

B.5

En utilisant la formule $\varepsilon = \frac{\Delta L}{L}$, calculer l’allongement total $\Delta L$ du câble tracteur (pour $L = 6\text{ km}$).

La tension dans la boucle de câble tracteur est ajustée via la poulie de déviation déplaçable. La poulie de déviation est montée sur un chariot dont la course est de $8\text{ m}$, ce qui peut compenser un allongement de $16\text{ m}$ de câble.

B.6

Vérifier que la course de la poulie de déviation est suffisante.

Document technique DTS5: simulation du comportement du câble tracteur en traction soumis à un effort de 320 000 N

B.7

Relever la contrainte dans les torons et dans l'âme du câble tracteur sur la simulation (DTS5).

MPa

MPa

B.8

Vérifier que le coefficient de sécurité de l'âme du câble tracteur est supérieur à 5 (pour le polycarbonate, $R_e = 72\text{ MPa}$).

B.9

Conclure en justifiant le choix du câble tracteur en tenant compte des questions précédentes.

Partie C: comment accélérer progressivement un véhicule à l'arrêt en gare pour atteindre la vitesse du câble tracteur ?

Lorsqu'un véhicule du téléphérique arrive en gare, la pince libère le câble et le véhicule est suspendu à un rail sur lequel il roule grâce à des galets situés à proximité de la pince. Le véhicule est alors entraîné par un convoyeur à pneus qui gère sa vitesse pendant tout son trajet en gare.

La décélération et l'accélération du véhicule sont assurées par des changements de vitesse de rotation des pneus des convoyeurs en entrée et sortie de gare, appelés ralentisseurs et lanceurs.

Document technique DTS4: présentation des lanceurs en Gare

Représentation d'un chariot entraîné par un lanceur

L'entraînement des véhicules dans les stations s'effectue à l'aide de pneus montés sur une poutre à pneus. Le premier pneu du lanceur est entraîné par l'un des deux moteurs d'entraînement (l'autre moteur étant un moteur de secours) et la transmission du mouvement d'un pneu à l'autre s'effectue par une liaison poulie-courroie. La différence de diamètre des poulies permet une évolution de la vitesse de rotation des pneus et par conséquent de la vitesse des véhicules. Les poutres à pneus entraînent les chariots des véhicules au niveau de leur traverse d'entraînement ce qui leur permet de rouler sur leurs rails de roulement.

Représentation de la transmission du mouvement dans un lanceur

Rayon pneu (m)

Rayon poulie menante (m)

Rayon poulie menée (m)

0,2

0,18

0,15

C.1

Indiquer le principe de transmission de mouvement utilisé pour mettre en rotation tous les pneus des lanceurs en gare.

C.2

Calculer le rapport de transmission $r$ entre une poulie menante et une poulie menée.

Par hypothèse, la vitesse d'un véhicule est égale à la vitesse tangentielle du pneu au point de contact entre le pneu et la traverse d'entraînement du véhicule.

C.3

Exprimer la vitesse d'un véhicule $V_{\text{véhicule}}$ en fonction de la vitesse angulaire du pneu $\omega_{\text{pneu}}$ en contact.

C.4

Calculer la vitesse angulaire du pneu $\omega_{\text{pneu}}$ entraînant un véhicule à une vitesse de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$.

Les lanceurs proposés sont composés respectivement de 15 et de 20 pneus.

C.5

En utilisant la formule $r_{(\text{nb de pneus})} = 1{,}2^{(\text{nb de pneus} - 1)}$, calculer les rapports de transmission $r_{15}$ et $r_{20}$.

Calculer la vitesse angulaire minimale du premier pneu de chacun des lanceurs proposés pour que le véhicule atteigne la vitesse de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ en fin de lanceur pour chaque composition.

C.6

Le moteur qui entraîne le premier pneu du lanceur tourne à une vitesse de rotation maximale de 20 tours par minute. Conclure sur le choix du lanceur composé de 15 pneus ou du lanceur composé de 20 pneus.