La chaîne de puissance : cours de Première SI

Un vélo à assistance électrique, un portail automatique, une perceuse, un convoyeur d'usine : tous ces produits reçoivent de l'énergie d'un côté et produisent un effet utile de l'autre, par exemple un mouvement. Entre les deux, il se passe beaucoup de choses. L'énergie change de forme, elle traverse des constituants, elle est en partie gaspillée. La chaîne de puissance est l'outil qui permet de décrire ce trajet de façon ordonnée.

En Première de spécialité Sciences de l'ingénieur, l'enjeu est d'analyser des produits existants : tu observes un système réel, tu identifies ses constituants, puis tu cherches à savoir quelle puissance circule, où elle se perd et pourquoi les concepteurs ont fait tel choix. En Première, le programme demande de caractériser la puissance ; la réversibilité des constituants sera approfondie en Terminale ¹.

Tu as déjà croisé les diagrammes SysML, qui décrivent un système par ses blocs et leurs liaisons. La chaîne de puissance en est un prolongement très concret : chaque bloc devient un constituant qui reçoit une puissance et en restitue une autre. Plus tard, tu compléteras ce regard avec la chaîne d'information, qui décrit comment le produit décide et commande. Ici, on s'intéresse à ce qui transporte l'énergie et le mouvement.

Pour bien sentir la différence, pense à un robinet. L'énergie correspond au volume d'eau qui a coulé dans un seau. La puissance correspond au débit : on peut remplir le même seau très vite avec un gros débit, ou très lentement avec un filet d'eau. Deux appareils peuvent échanger la même énergie et avoir des puissances très différentes, tout dépend du temps qu'ils mettent. Pour savoir combien d'énergie un appareil domestique consomme, il faut connaître à la fois sa puissance et sa durée d'utilisation : $E = P \times \Delta t$ ².

Prenons un exemple de ton quotidien, construit pour l'occasion : une trottinette électrique. L'énergie est d'abord stockée sous forme chimique dans la batterie. Elle est ensuite convertie en énergie électrique envoyée au moteur, puis en énergie mécanique de rotation. Enfin, la roue la transforme en déplacement de la trottinette et de son passager. À chaque conversion, une partie de l'énergie ne va pas dans le sens voulu.

Le mot « perdue » demande une précision. L'énergie ne disparaît pas, elle change de forme et devient de la chaleur dispersée dans l'air, que personne ne peut plus utiliser pour faire avancer la trottinette. Du point de vue du concepteur, elle est donc perdue. C'est exactement ce que l'on cherche à réduire quand on améliore un produit.

La puissance n'a pas la même allure selon que l'on parle de mécanique ou d'électricité, mais le principe de calcul se ressemble. Selon le programme, la puissance instantanée s'obtient en multipliant une grandeur d'effort, comme une force, par une autre grandeur associée ¹. Il évoque des grandeurs physiques de différentes natures, notamment mécaniques et électriques ¹.

Parmi les constituants d'une chaîne de puissance, il y a ceux qui transmettent la puissance d'un endroit à un autre. L'entraînement par chaîne en est un exemple classique : il transmet la puissance mécanique, et on le rencontre sur les roues des vélos et des motos, mais aussi dans une grande variété de machines ⁴.

Fréquemment, la chaîne se termine sur un second pignon, qui permet de récupérer la puissance sur un arbre ou sur d'autres pignons ⁴. Sur un vélo, le pignon avant est lié aux pédales et le pignon arrière à la roue : la chaîne relie les deux. Certaines chaînes ne sont pas de simples boucles ovales : elles peuvent franchir des angles quand plus de deux pignons sont placés le long de leur trajet. Un pignon qui ne fournit pas de puissance au système et n'en renvoie pas à l'extérieur est un pignon libre ⁴.

Ce tableau résume les comparaisons trouvées dans la documentation. La chaîne et ses pignons transmettent la puissance très efficacement : elle en perd bien moins par friction qu'une courroie à frottement ⁴. Certaines courroies synchrones récentes ont toutefois des capacités équivalentes à celles de chaînes à rouleaux de même largeur : une courroie crantée de la largeur d'une chaîne peut transmettre la même puissance, voire un peu plus ⁴. L'arbre d'entraînement est une autre solution, parfois comparée à la chaîne. On le juge en général plus solide et plus fiable, mais ses engrenages coniques provoquent beaucoup plus de friction qu'une chaîne ⁴. Pour une moto, le choix entre chaîne, courroie et arbre est une décision clé de conception ⁴.

La réversibilité et l'irréversibilité des constituants d'une chaîne de puissance sont approfondies en Terminale ¹ ; on en donne ici une première approche. Cette notion répond à une question simple : la puissance peut-elle circuler dans les deux sens ?