Transcript 6-Etude de cas-Stepper

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SCIENCES DE L’INGENIEUR
ETUDE DE CAS : LA DEPENSE ENERGETIQUE CORPORELLE SUR UN STEPPER
Thème d’étude:
SPORT, SANTE ET TECHNOLOGIE
ETUDE DE CAS :
LA DEPENSE ENERGETIQUE CORPORELLE
LORS D’UNE ACTIVITE SUR UN STEPPER
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ETUDE DE CAS : LA DEPENSE ENERGETIQUE CORPORELLE SUR UN STEPPER
PLAN DE LA PRESENTATION DE L’ETUDE DE CAS
1 - Question sociétale – problématique – problèmes techniques
2 - Origine, objectifs et fil directeur de l’étude
3 - Contenus des différentes activités composant l’étude
4 - Modalités d’organisation des différentes activités
5 - Bilan des centres d’intérêt, compétences, capacités et connaissances abordés
6 - Informations diverses
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ETUDE DE CAS : LA DEPENSE ENERGETIQUE CORPORELLE SUR UN STEPPER
QUESTION SOCIETALE La culture et la performance
du corps étant un fait de société, comment renseigner
avec précision la dépense énergétique lors d’un effort
physique?
PROBLEMATIQUE : Comment mesurer et afficher avec
précision la dépense énergétique lors de l’utilisation d’un stepper ?
PROBLEMES TECHNIQUES:
Comment construire un modèle permettant de calculer avec
précision l’énergie dépensée sur un stepper et la comparer à
celle affichée par le système réel?
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ORIGINE DE L’ETUDE DE CAS
UNE CONSTATATION SUR LE SYSTÈME REEL, LE
CALCUL DE L’ENERGIE DEPENSEE N’EST PAS ASSEZ PRECIS
Quelque soit la durée de descente de la pédale, le stepper
affiche toujours la même quantité d’énergie dépensée à chaque
marche gravie.
Or l’énergie dépensée dépend notamment de l’intensité de la
force exercée sur la pédale et par conséquent du temps de
descente de la pédale.
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OBJECTIF DE L’ETUDE DE CAS
 Découvrir comment se dépenser physiquement
énergétiquement et comment la technologie apporte des solutions
à ce besoin (différentes solutions et plus particulièrement un stepper)
 Découvrir comment la technologie permet de quantifier
l’énergie dépensée et constater l’approximation du calcul sur le
système stepper réel
 Créer un MODELE SIMULE au comportement plus exact que
celui du SYSTÈME REEL
SYSTÈME REEL
ECART
MODELE SIMULE
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STRATEGIE DE L’ETUDE DE CAS
 Découvrir le principe de dépense physique énergétique et plus
spécifiquement celle dépensée sur un stepper
 Découvrir que le Temps de descente de la pédale = image de
l’effort appliqué sur la pédale
 Établir par simulation mécanique le lien entre temps de
descente de la pédale et force appliquée
 Découvrir un principe de détection des descentes de pédales
(détection par ILS)
Concevoir un modèle permettant de simuler la durée de
descente de la pédale et calculer en temps réel l’énergie dépensée
(programmation d’un microcontrôleur par algorigramme)
 Utiliser toutes ces activités pour répondre à la question
sociétale et à la problématique
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PRE- REQUIS POUR MENER L’ETUDE DE CAS
A - ANALYSER LE BESOIN ET LE SYSTEME
 Notion de besoin
 Notion de fonction de service
 Notions de matière d’œuvre et de valeur ajoutée
 Langage de description du comportement d’un système: algorithme,
algorigramme, logique combinatoire.
D - COMMUNIQUER
 Traiter des résultats expérimentaux (tableaux et courbes sur
tableur)
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SITUATION DE L’ETUDE
DANS LA PROGRESSION
Étude de cas réalisée  en milieu de classe de Première S-Si, après
réalisation d’études permettant de posséder les pré-requis
ETUDES PRELIMINAIRES AVANT ETUDE DE CAS ENERGETIQUE STEPPER
1 – ETUDE FONCTIONNELLE ET
STRUCTURELLE
DE SYSTEMES
2 – ETUDE DU
COMPORTEMENT
DE SYSTEMES
3 - ETUDE DU
COMPORTEMENT
DE SYSTEMES
4 - ETUDE DE CAS
ENERGETIQUE STEPPER
CI 1
Analyser un système
fonctionnellement et
structurellement
CI 4
Concevoir et utiliser un
modèle relatif à un système
en vue d’évaluer les
performances de la chaîne
d’information.
CI 4
Concevoir et utiliser un
modèle relatif à un
système en vue
d’évaluer les
performances de la
chaîne d’information.
- Besoin, finalités, contraintes,
cahier des charges
- Analyse fonctionnelle externe,
Expression fonctionnelle du
besoin. - - Fonctions d’usage, de
service, d’estime
- Chaine d’information :
analyse et modèle
- Langage de description du
comportement d’un système :
systèmes logique
évènementiels, logigramme
- Chaine d’information:
analyse et modèle
- Langage de description du
comportement d’un
système : algorithme,
algorigramme
Groupes de 4 sur différents
systèmes (VAE, borne de rue,
volant jeux video, serrure codée )
mais même Centre d’intérêt:
Groupes de 2 sur simulation
d’un modèle MATLAB de
chaine d’information: VAE
Groupes de 2 sur
simulation de  modèles de
chaines d’informations:
barrière de parking,
système lumineux de
signalisation.
CI 2
Expérimenter et mesurer
sur un système réel pour
évaluer ses performances.
CI 4
Concevoir et utiliser un
modèle relatif à un
système en vue d’évaluer
les performances de la
chaîne d’information.
CI 5
Concevoir et utiliser un
modèle relatif à un
système en vue d’évaluer
les performances de la
chaîne d’énergie.
Connaissances et modalités
d’organisation: voir après
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Activité 6:
Activité 5:
Comptage du nombre de
marches et simulation de
l’affichage
conception de
l’algorigramme de calcul
de l’énergie dépensée et
simulation de l’affichage.
Analyse des écarts entre
réel et simulé
Activité 7:
Préparation et
Présentation orale d’une
des activités par chacun
des groupes d’élèves
Activité 1:
PROBLEMATIQUE
SPORT ET SANTE:
Comment mesurer et afficher
avec précision la dépense
énergétique lors de l’utilisation
d’un stepper?
MISE EN SITUATION:
Découverte de l’énergie
alimentaire + rôle du
stepper+ découverte des
grandeurs physiques mises
en jeu dans la dépense
énergétique corporelle
Activité 4:
Activité 2:
Découverte d’un principe
de détection de descente
de la pédale du stepper
Découverte de l’influence
des grandeurs physiques
dans la quantité d’énergie
corporelle dépensée sur un
stepper
Activité 3:
Recherche de la loi liant le
temps de basculement de
la pédale du stepper à la
quantité d’énergie
dépensée
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ACTIVITE 1:
 Étape 1: DECOUVERTE DE L’ENERGIE ALIMENTAIRE
- Notion d’énergie
- Energie contenue dans les aliments – joules et calories
- Rôle du stepper en réponse à la question sociétale
 Etape 2 : DECOUVERTE DES GRANDEURS PHYSIQUES
MISES EN JEU DANS LA DEPENSE ENERGETIQUE
CORPORELLE
-Travail mécanique d’une force – énergie mécanique
- Energie mécanique dans différentes activités sportives
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ACTIVITE 2:
INFLUENCE DES GRANDEURS PHYSIQUES
MISES EN JEU DANS LA DEPENSE ENERGETIQUE
LORS D’UNE ACTIVITE SUR LE STEPPER
Étape 1: rechercher comment augmenter le travail énergétique
sur un stepper
- Solution1 attendue: Augmenter l’effort d’appui sur la pédale
-Solution 2 attendue: Augmenter le déplacement utile du point
d’application de la force d’appui
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ACTIVITE 2 suite :
INFLUENCE DES GRANDEURS PHYSIQUES
MISES EN JEU DANS LA DEPENSE ENERGETIQUE
LORS D’UNE ACTIVITE SUR LE STEPPER
 Étape 2: étude du déplacement utile du point d’application de la
force d’appui
-Déterminer expérimentalement le déplacement du point d’application de
la force d’appui sur la pédale
d
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ACTIVITE 2 suite :
INFLUENCE DES GRANDEURS PHYSIQUES
MISES EN JEU DANS LA DEPENSE ENERGETIQUE
LORS D’UNE ACTIVITE SUR LE STEPPER
Etape 3 : Analyse de la force d’appui sur la pédale
- Evaluer la force d’appui sur la pédale (stepper simple)
F
t
-Evaluer la force d’appui sur la pédale (avec appui des mains)
F
t
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ACTIVITE 2 fin :
INFLUENCE DES GRANDEURS PHYSIQUES
MISES EN JEU DANS LA DEPENSE ENERGETIQUE
LORS D’UNE ACTIVITE SUR LE STEPPER
Etape 4 : bilan de l’énergie théorique dépensée sur un stepper
-Cas du Stepper simple
-Cas Stepper avec guidon
- comparaison avec l’apport énergétique alimentaire et analyse critique
ENERGIE
ALIMENTAIRE
E total = n.(F x
d)
ENERGIE
FOURNIE
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ACTIVITE 3 :
DETERMINATION DE LA LOI MATHEMATIQUE LIANT
L’INTENSITE DE LA FORCE D’APPUI SUR LA PEDALE
AU TEMPS DE DESCENTE DE LA PEDALE
Étape 1: mise en oeuvre qualitative du stepper
-« Ressentir simplement » l’influence de l’intensité de la force d’appui
sur le temps de descente de la pédale.
F
F
temps de
descente
- découverte du comportement de l’amortisseur
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ACTIVITE 3 suite
:
DETERMINATION DE LA LOI MATHEMATIQUE LIANT
L’INTENSITE DE LA FORCE D’APPUI SUR LA PEDALE
AU TEMPS DE DESCENTE DE LA PEDALE
 Étape 2: déterminer l’angle de rotation d’une pédale, en vue de
la simulation (pilotage mouvement stepper)
-détermination de l’angle par méthode pratique expérimentale
-Détermination de l’angle à l’aide de la maquette numérique du stepper
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ACTIVITE 3 suite
:
DETERMINATION DE LA LOI MATHEMATIQUE LIANT
L’INTENSITE DE LA FORCE D’APPUI SUR LA PEDALE
AU TEMPS DE DESCENTE DE LA PEDALE
 Étape 2 suite: méthode et calcul de la vitesse de rotation de la
pédale
Nécessaire pour effectuer
la simulation MECA 3D
(pilotage du mouvement)
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ACTIVITE 3 suite
:
DETERMINATION DE LA LOI MATHEMATIQUE LIANT
L’INTENSITE DE LA FORCE D’APPUI SUR LA PEDALE
AU TEMPS DE DESCENTE DE LA PEDALE
Etape 3 : Détermination de la loi mathématique liant le temps de
descente de la pédale à l’intensité de la force d’appui
-Simulation MECA 3D
EFFORT INCONNU
F
Pilotage en vitesse de la
rotation de la pédale
Détermination
de la force
permettant
d’obtenir la
vitesse de
descente de
pédale imposée
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ACTIVITE 3 fin
:
DETERMINATION DE LA LOI MATHEMATIQUE LIANT
L’INTENSITE DE LA FORCE D’APPUI SUR LA PEDALE
AU TEMPS DE DESCENTE DE LA PEDALE
Etape 3 suite : Détermination de la loi mathématique liant le
temps de descente de la pédale à l’intensité de la force d’appui
-Recueil des résultats des simulations successives et utilisation d’un
tableur pour établir l’équation temps de descente en fonction de la force
d’appui.
L’EQUATION MATHEMATIQUE QUI VA
ENSUITE ETRE EXPLOITEE PAR LA PARTIE
ELECTRONIQUE DU STEPPER POUR
CALCULER L’ENERGIE
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ACTIVITE 4:
DETECTION DE LA DESCENTE
DE CHACUNE DES DEUX PEDALES
Etape 1 : Découverte du principe technologique utilisé pour
détecter une descente de pédale
- découverte du principe de détection (ILS) par protocole expérimental
sur maquette
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ACTIVITE 4:
DETECTION DE LA DESCENTE
DE CHACUNE DES DEUX PEDALES
Etape 2 suite : Découverte du principe technologique utilisé pour
détecter une descente de pédale
- validation du principe de détection par protocole expérimental sur le
système réel instrumenté.
- Analyse des écarts entre dispositif expérimental et dispositif réel.
Dispositif
expérimental
écarts
Dispositif réel
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ACTIVITE 5:
COMPTAGE DU NOMBRE DE MARCHES
ET AFFICHAGE
Etape 1 : conception de l’algorigramme de comptage
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ACTIVITE 5:
COMPTAGE DU NOMBRE DE MARCHES
ET AFFICHAGE
 Etape 2 : mise en œuvre de la solution par simulation
Commutateur:
simule déplacement
de la pédale
Afficheur LCD
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ACTIVITE 6:
Calcul et affichage des calories
Comparaison système réel et modèle simulé
 Etape 1 : étude pour la conception du modèle
F (N) =758,6/temps(s) et d=30cm.
temps est la durée mise pour déplacer la pédale.
Exprimer l’énergie E en fonction de la variable temps
Exprimer alors l’énergie en calories
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ACTIVITE 6:
Calcul et affichage des calories
Comparaison système réel et modèle simulé
 Etape 2 : mise en œuvre du modèle par simulation
Simulation durée
descente marche
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ACTIVITE 6:
Calcul et affichage des calories
Comparaison système réel et modèle simulé
 Etape 3 : comparaison du nombre de calories affichées entre
modèle et système réel
•Sur une durée fixe donnée, l’élève utilise le stepper en appuyant sur les
pédales avec une force différente (donc pendant un temps différent), un
même nombre de fois. Il constate que l’affichage des calories est le même.
•L’élève reproduit le même protocole en utilisant le modèle. Il constate que
l’affichage est différent.
•Il doit en conclure que l’écart est du au fait que le stepper ne tient pas
compte de l’effort réel appliqué sur les pédales et donc que la précision du
système est inférieure à celle du modèle créé.
ACTIVITE 6:
Calcul et affichage des calories
Comparaison système réel et modèle simulé
MESURES
SYST. REEL
 Etape 3 : comparaison du nombre de calories affichées entre
modèle et système réel
Calories=C1
Durée fixe
Calories=C1
Durée de montée d’une marche
SIMULATION
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Calories=C2
Calories=C3
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BILAN DE L’ETUDE DE CAS
REPONSES A LA QUESTION SOCIETALE ET A LA PROBLEMATIQUE
L’étude a permis :
 de mettre en évidence comment la technologie apporte des solutions
pour se dépenser énergétiquement physiquement davantage.
de mettre en évidence le principe de dépense énergétique par
déplacement d’une force, ainsi que les moyens d’augmenter cette
dépense énergétique.
d’appréhender un moyen technologique permettant de quantifier le
plus exactement possible l’énergie dépensée.
 de comparer l’écart entre la mesure de la dépense énergétique sur
un système réel et celle réalisée par un modèle simulé plus abouti.
SYSTEME REEL
ECART
MODELE SIMULE
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ORGANISATION DES ACTIVITES
•Classe de 32 élèves: 8 îlots de 4 élèves.
•Chaque îlots dispose d’un stepper et de 2 ordinateurs.
•Les travaux de simulation et de mesures sur maquettes se font en
binôme.
•Les mesures sur le stepper se font en groupe de 4 élèves.
•L’enchainement des activités est linéaires et tous les élèves font la
même activité.
•Cette organisation permet aux élèves de progresser à leur rythme.
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ORGANISATION DE L’ACTIVITE 1
CHRONOLOGIE DES ETAPES : enchaînement linéaire
Étape 1
PRESENTATION ENERGIE
ALIMENTAIRE + ROLE SOCIETAL DU
STEPPER
Étape 2
PRESENTATION ENERGIE MECANIQUE
1h
30 min
Cours +TD
Cours
Classe entière
Classe entière
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ORGANISATION DE L’ACTIVITE 2
CHRONOLOGIE DES ETAPES : enchaînement linéaire
Étape 1
SOLUTIONS POUR
AUGMENTER
ENERGIE
DEPENSEE SUR
STEPPER
Étape 2
RECHERCHE
DEPLACEMENT
POINT
APPLICATION
FORCE
Étape 3
Étape 4
RECHERCHE
BILAN THEORIQUE
FORCE APPLIQUEE
ENERGIE
SUR LA PEDALE
DEPENSEE SUR
STEPPER
30 min
30 min
1h30
1h
TD
TP
TP
Synthèse + TD
Classe entière ou
en groupe de 4
En groupe de 4
En groupe de 4
Classe entière
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ORGANISATION DE L’ACTIVITE 3
CHRONOLOGIE DES ETAPES : enchaînement linéaire
Étape 1
MISE EN ŒUVRE
QUALITATIVE DU
STEPPER +
DECOUVERTE
AMORTISSEUR
Étape 2
RECHERCHE
ANGLE DE
ROTATION PEDALE
+ CALCUL VITESSE
ROTATION PEDALE
Étape 3
SIMULATION
MECA 3D
RECHERCHE LOI
MATHEMATIQUE
Force  temps
descente pédale
« … Étape 4 »
BILAN ACTIVITES
2 et 3
ET LIEN AVEC
ACTIVITES
SUIVANTES
30 min
1h 30
1h30
30 MIN
découverte en
autonomie
TP
TP
Synthèse
en groupe de 4
En groupe de 4
En groupe de 4
Classe entière
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ORGANISATION DE L’ACTIVITE 4
CHRONOLOGIE DES ETAPES : enchaînement linéaire
Étape 1
- découverte du principe de
détection (ILS) par protocole
expérimental sur maquette
Étape 2
-Validation du principe de
détection par protocole
expérimental sur le système
1h
1h
TP
TP
En groupe de 2
En groupe de 2
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ORGANISATION DE L’ACTIVITE 5
CHRONOLOGIE DES ETAPES : enchaînement linéaire
Étape 1
Conception de l’algorigramme de
comptage et d’affichage du nombre
de marches
Étape 2
Mise en oeuvre de la solution par
simulation
1h
1h
TP
TP
En groupe de 2
En groupe de 2
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ORGANISATION DE L’ACTIVITE 6
CHRONOLOGIE DES ETAPES : enchaînement linéaire
Étape 1
CONCEPTION DE
L’ALGORIGRAMME DE
CALCUL DE L’ENERGIE
+ SIMULATION DE
L’AFFICHAGE DE
L’ENERGIE DEPENSEE
Etape 2
Mise en œuvre de la
solution par simulation
Etape 3
ANALYSE DES ECARTS
ENTRE SYSTEME REEL
ET SYSTEME SIMULE
30min
30min
1h00
TP
TP
TP
En groupe de 2
En groupe de 2
En groupe de 4
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ORGANISATION DE L’ACTIVITE 7
CHRONOLOGIE DES ETAPES : enchaînement linéaire
Étape 1
Préparation d’un compte rendu sous
forme de diaporama sur une des
activités
Etape 2
RESTITUTION ORALE
1h
10 min par groupe
TD
TD
En groupe de 2
En groupe de 2 devant classe entière
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CENTRES D’INTERETS ABORDES
Activité 2
Activité 3
Activité 1
Centres d’intérêt
Point de vue
Système
souhaité
CI1
Analyser un système fonctionnellement et structurellement.
CI2
Expérimenter et mesurer sur un système réel pour évaluer ses
performances.
CI3
Analyser des constituants d’un système réel d’un point de vue
structurel et comportemental.
CI4
Concevoir et utiliser un modèle relatif à un système en vue
d’évaluer les performances de la chaîne d’information.
CI5
Concevoir et utiliser un modèle relatif à un système en vue
d’évaluer les performances de la chaîne d’énergie.
Système réel
Système simulé
Activité 5 et 6
Activité 3
Activité 4
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COMPETENCES
Compétences travaillées
Analyser
A1
Étape 1 Energie alimentaire + rôle du stepper
Activité 1
Energie mécanique dans activités
physiques
Solutions pour augmenter énergie
étape 1
dépensée sur stepper
étape 2
Activité 2
A2
Modéliser
A3
B1
B2
B3
Expérimenter Communiquer
B4
C1
C2
x
x
x
x
étape 2
Recherche déplacement point
application force d’appui
x
étape 3
Recherche de la force d’appui
moyenne sur la pédale
x
Bilan énergie dépensée sur différents
étape 4 stepper + comparaison énergie
alimentaire
Mise en œuvre qualitative stepper +
étape 1
comportement amortisseur
Recherche angle rotation pédale +
étape 2
vitesse rotation pédale
Activité 3
Simulation Meca 3d pour établir la loi
étape 3
recherchée force = f(temps)
Bilan étude énergie mécanique et
étape 4
lien avec activités suivantes
x
x
x
x
x
D1
D2
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COMPETENCES
Compétences travaillées
Analyser
A1
Étape 1
Activité 4
étape 2
étape 1
Activité 5
étape 2
étape 1
Principe de détection déplacement
de pédale sur maquette
Principe de détection déplacement
de pédale sur système réel
Conception algorigamme comptage
nombre de déplacements
Mise en œuvre de la simulation du
comptage de nbre de déplacements
Conception du modèle pour calcul de
l’énergie
A2
Modéliser
A3
Analyse des écarts entre le modèle
conçu et le système réel
Production diaporama de synthèse
Activité 7 étape 2
des résultats
B2
B3
B4
C1
C2
D1
D2
X
X
X
X
X
X
X
Activité 6 étape 2 Mise en œuvre par simulation
étape 3
B1
Expérimenter Communiquer
X
X
X
X
X
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COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES
A – ANALYSER
A2 – Analyser le Système
« identifier les éléments transformés et les flux »
Matière d’œuvre, valeur ajoutée, flux :
 Identifier la matière d’œuvre et la valeur ajoutée
A3 – caractériser des écarts
« comparer les résultats expérimentaux avec les résultats simulés et interpréter les écarts »
Analyse des écarts
 Traiter des données de mesures
 Quantifier des écarts entre des valeurs mesurées et des valeurs obtenues par
simulation
 Rechercher et proposer des causes aux écarts constatés
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ETUDE DE CAS : LA DEPENSE ENERGETIQUE CORPORELLE SUR UN STEPPER
COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES
B – MODELISER
B1 – Identifier et caractériser les grandeurs agissant sur un système
« choisir les grandeurs et les paramètres influents en vue de les modéliser »
Caractéristiques des grandeurs physiques (mécaniques)
 Déterminer les parties les plus sollicitées dans un composant
B3– Résoudre et simuler
« simuler le fonctionnement de tout ou partie d’un système à l’aide d’un modèle fourni. »
Paramètres d’une simulation :
 Adapter les paramètres de simulation
B4 – valider un modèle
« interpréter les résultats obtenus »
Modèle de connaissance
 Comparer les résultats obtenus (amplitudes et variations) avec les données du cahier
des charges fonctionnel
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COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES
C – EXPERIMENTER
C2– Mettre en œuvre un protocole expérimental
« conduire les essais en respectant les consignes de sécurité à partir d’un protocole fourni »
« traiter les données mesurées en vue d’analyser les écarts»
 Mettre en œuvre un appareil de mesure
 Analyser des résultats expérimentaux
D – COMMUNIQUER
D2 – mettre en œuvre une communication
« produire un support de communication »
« argumenter »
 Réaliser un document numérique