Le triptyque Matière- Énergie-Information

Les métaux

Les métaux sont des matériaux solides, souvent lourds, bons conducteurs de la chaleur et de l'électricité, et généralement résistants aux chocs et à la déformation. Ils peuvent être purs ou composés de plusieurs métaux (alliages).

Matériaux courants

• Acier : alliage de fer et de carbone, très solide
• Aluminium : léger, résistant à la corrosion
• Cuivre : excellent conducteur électrique
• Fer : métal de base de nombreux alliages
• Bronze : alliage de cuivre et d'étain, résistant à l'usure

Mise en forme

• Fonderie : le métal est fondu puis coulé dans un moule
• Forgeage : le métal est chauffé puis frappé pour lui donner une forme
• Usinage : le métal est découpé, percé et fraisé pour donner une forme précise
• Soudage : pour assembler plusieurs pièces métalliques

Les plastiques

Les plastiques sont des matériaux généralement légers, isolants électriques, faciles à mouler et peu coûteux. Certains sont souples, d'autres rigides. Ils sont issus de ressources fossiles comme le pétrole. Ils peuvent notamment être mis en forme par :

• Injection plastique : matière fondue injectée dans un moule ;
• Impression 3D : le plastique est utilisé sous forme de fil par une imprimante 3D pour réaliser n'importe quelle forme.

Les matériaux minéraux

Les matériaux minéraux sont issus de roches ou de minéraux, souvent très résistants à la chaleur, aux intempéries ou à l'usure, mais parfois fragiles (cassants).

Matériaux courants

• Verre : transparent, fragile, isolant thermique
• Béton : mélange de ciment, sable, gravier et eau, très résistant
• Pierre : matériau naturel, robuste, utilisé en construction
• Plâtre : utilisé pour les cloisons ou les moulures
• Céramique : dure, résistante à la chaleur, utilisée pour vaisselle, carrelage

Les matériaux composites

Les matériaux composites sont composés d'au moins deux matériaux différents (souvent une matrice et un renfort) pour cumuler leurs propriétés : légèreté, solidité, résistance chimique ou thermique.

Matériaux courants

• Fibre de verre + résine : utilisée pour les coques de bateau, carrosseries
• Carbone + résine : très résistant et léger, utilisé dans l'aéronautique, le sport
• Béton armé : béton + armature en acier, pour les structures solides

Les formes d'énergie

Les 6 formes d'énergie sont :

• l'énergie électrique, liée à la circulation du courant électrique ;
• l'énergie mécanique, liée au mouvement ;
• l'énergie thermique, liée à la chaleur ;
• l'énergie chimique, contenue dans les carburants ou les piles ;
• l'énergie rayonnante, liée à la lumière (soleil, lampes) ;
• l'énergie nucléaire, liée à l'énergie contenue dans les atomes.

Énergie électrique

L'énergie électrique est très utilisée dans les OST, car elle peut facilement être transformée en d'autres formes : mécanique (avec un moteur), lumineuse (avec une lampe), etc.

Elle est facile à produire, notamment à grande échelle (centrales énergétiques), et facile à transporter sur de longues distances grâce aux réseaux électriques. En revanche, son stockage en grande quantité est difficile, souvent limité par la capacité des batteries.

Énergie mécanique

L'énergie mécanique se trouve sous deux formes :

• l'énergie cinétique, qui dépend de la vitesse et de la masse d'un objet en mouvement ;
• l'énergie potentielle, qui dépend de sa position (un objet placé en hauteur par exemple).

L'énergie cinétique peut être de translation (déplacement en ligne droite) ou de rotation. L'énergie mécanique est très présente dans les OST : elle permet de faire bouger, soulever ou entraîner des éléments.

Transformation de l'énergie

Il est souvent nécessaire de transformer de l'énergie d'un type vers un autre. Voici une liste de composants ou OST courants réalisant une transformation :

Composants

Moteur thermique : chimique → mécanique

Moteur électrique : électrique → mécanique

Batterie : chimique → électrique (ou l'inverse lorsqu'on la recharge)

Lampe : électrique → rayonnante (éclairage)

Dynamo (vélo) et Alternateur (voiture) : mécanique → électrique

Pompe : électrique → mécanique (déplacement de fluide)

OST

Éolienne : mécanique (vent) → électrique

Panneau photovoltaïque : rayonnante → électrique

Panneau solaire thermique : rayonnante → thermique

Centrale hydroélectrique : mécanique (eau) → électrique

Centrale nucléaire : nucléaire → thermique → électrique

Radiateur électrique : électrique → thermique

Four électrique : électrique → thermique

Manipulation de l'information par les OST

Les OST ont besoin de manipuler de l'information afin de prendre des décisions, de produire des actions de manière intelligente et de communiquer.

Les signaux

Pour qu'un OST puisse manipuler l'information, il faut déjà qu'il soit capable de recevoir des informations. La source de ces informations peut par exemple être un humain, l'environnement dans lequel évolue l'OST ou bien un autre objet.

L'information est transmise à l'OST sous forme de signaux. Un signal peut être :

• visuel / lumineux : l'OST reçoit l'information en la voyant, grâce à une caméra par exemple 
• sonore : l'OST reçoit l'information en l'entendant, grâce à un microphone par exemple 
• numérique : l'OST reçoit l'information sous forme de signal numérique binaire (suite de 0 et de 1), par un réseau WiFi, Ethernet ou par Bluetooth par exemple.

L'OST peut, de la même manière, produire des signaux visuels, sonores ou numériques pour communiquer avec un humain ou un autre OST.

Les données numériques

Les données numériques sont des informations adaptées aux OST. Ces informations se trouvent sous forme binaire, ce qui est le langage de base des OST.

Deux OST qui veulent communiquer s'échangeront des informations directement sous forme de signaux numériques.

Les données numériques peuvent aussi être stockées par l'OST, pour être utilisées plus tard. Dans ce cas, l'OST devra posséder une mémoire. La mémoire peut être une carte SD par exemple.

Capteurs

Un OST peut être équipé de capteurs. Les capteurs seront une source d'information importante. Les capteurs permettent à l'OST de récupérer des informations sur son environnement, comme par exemple la température, la proximité d'un obstacle ou la vitesse à laquelle il se déplace.

Il existe un très grand nombre de capteurs, et ils permettent la plupart de temps de produire des données numériques que l'OST pourra manipuler ou stocker.

Mesure dimensionnelle

Longueur

Une règle graduée permet de mesurer des longueurs droites avec précision en mm ou cm.

Pour les plus grandes longueurs, on pourra utiliser :

• un mètre ruban, qui est un ruban souple gradué de plusieurs mètres ;
• un mètre laser, qui mesure la distance à l'aide d'un faisceau laser.

Angle

Un rapporteur, gradué en degrés (0° à 180° ou 0° à 360°), sert à mesurer ou tracer des angles.

Grandeurs électriques

Pour les grandeurs électriques, le multimètre est un appareil polyvalent permettant de mesurer :

• la tension (en volts, mode voltmètre) ;
• la résistance (en ohms, mode ohmmètre) ;
• l'intensité du courant (en ampères, mode ampèremètre).

Le Wattmètre est aussi utilisé pour mesurer la puissance électrique (en watts), et vérifier la consommation d'un appareil.

Branchement du multimètre

Pour mesurer une tension, un multimètre doit être réglé sur le mode voltmètre et être branché en dérivation (parallèle) aux bornes du composant à tester.

Pour mesurer une intensité, un multimètre doit être réglé sur le mode ampèremètre et être branché en série avec le circuit (le courant traverse le multimètre).

Pour mesurer une résistance, un multimètre doit être réglé sur le mode ohmmètre et connecté aux bornes du composant à tester. Le composant à tester doit être débranché du circuit.

Autres mesures

Masse

Une balance permet de mesurer la masse d'un objet en grammes ou kg. Elle peut être mécanique ou électronique.

Durée

Un chronomètre permet de mesurer des durées avec précision, en secondes (et ses sous-multiples), minutes ou heures.

Température

Un thermomètre ou une sonde de température, souvent électronique, permettent de mesurer la température ambiante ou celle d'un objet en °C (degré Celsius).

Un thermomètre laser mesure la température d'une surface, sans contact, via un faisceau infrarouge.

Luminosité

Le luxmètre mesure l'intensité lumineuse (en lux) d'une source de lumière (soleil, lampe).