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D-Day : les engins sous-marins au centre de l’action

Sciences de l’ingénieur puce Terminale S

Introduction

Cette séquence pédagogique, fruit d’une réflexion basée sur l’utilisation des engins sous-marins pendant le débarquement de 1944 et lors de l’expédition D-Day de 2013 (cartographie des épaves du débarquement allié dans la baie de Seine), a pour objectif d’aborder les notions de mécanique des fluides et de résistance des matériaux dans le contexte sous-marin. Elle repose sur l’étude de cas de systèmes existants : les sous-marins de poche, les robots sous-marins appelés ROV (Remotely Operated Vehicle) et AUV (Autonomous Underwater Vehicle).

Le thème sociétal est la préservation et la valorisation du patrimoine sous-marin (ici les épaves du débarquement).

Objectifs

  • Aborder les notions de mécanique des fluides et de résistance des matériaux en milieu marin.
  • Vérifier les paramètres de deux des principales fonctions techniques d’un engin sous-marin de type ROV :
    • propulser le ROV,
    • filmer le milieu sous-marin dans de bonnes conditions.

 

 

Prérequis

  • Analyse fonctionnelle et structurelle.
  • Modélisation des actions mécaniques et principe fondamental de la dynamique.
  • Notions de résistance des matériaux.

Organisation

Thème sociétal : la préservation et la valorisation du patrimoine sous-marin.

 

Problématique : comment préserver et valoriser un patrimoine non accessible car immergé ?

 

Problèmes techniques : comment déplacer une caméra sous l’eau pour filmer au plus près des épaves ? Comment acquérir des images en toute sécurité dans le milieu marin ?

Séquence organisée en quatre grandes étapes :

  1. Analyse du besoin ;
  2. Analyse fonctionnelle des engins sous-marins ;
  3. Compréhension des notions de mécanique des fluides ;
  4. Étude des problèmes techniques sur le ROV.

Durée

Séance 1 : Découverte du thème sociétal et de la problématique : 1 h

Séance 2 : Analyse du besoin lié aux engins sous-marins : 2 h

Séance 3 : Analyse fonctionnelle des engins sous-marins : 2 h

Séance 4 : Les notions élémentaires de mécanique des fluides : 1 h

Séance 5 : Application des notions de mécanique des fluides : 2 h

Séance 6 : Propulsion et flottabilité d’un ROV : 2 h

Séance 7 : Résistance du hublot de contrôle d’un ROV : 2 h

Séance 8 : Synthèse de la séquence : 2 h

Séance 9 : Évaluation : 4 h

Séance 1 : Découverte du thème sociétal et de la problématique

Durée

1 h

Objectifs

  • Découvrir le contexte global de l’expédition scientifique D-Day.
  • Poser la problématique et en déduire les problèmes techniques à résoudre.

Problématique

Problématique sociétale : comment préserver et valoriser un patrimoine non accessible car immergé ?

Type d'activités

Échange, débat, et brainstorming collectifs :

  • visionnage de la vidéo de présentation de l’expédition qui a consisté en la cartographie et l’étude des épaves du débarquement ;
  • débat avec les élèves pour en déduire la problématique sociétale posée par l’expédition ;
  • brainstorming sur l’utilisation des engins sous-marins (utilité, contraintes techniques…).

Modalités d'organisation

Classe entière

Matériels

  • vidéoprojecteur ;
  • éventuellement TBI pour le brainstorming.

Ressources

Opération D-Day – La cartographie des épaves du débarquement Opération D-Day – La cartographie des épaves du débarquement Bande-annonce du film « D-Day, ils ont inventé le débarquement » Bande-annonce du film « D-Day, ils ont inventé le débarquement » Présentation de l’expédition Sous-marin de poche DeepWorker Sous-marin de poche DeepWorker Carte de la zone d'étude Carte de la zone d'étude Catamaran l'Étoile magique Catamaran l'Étoile magique Écrans d'images 3D Écrans d'images 3D Exploration d'une épave par le sous-marin de poche Aquarius Exploration d'une épave par le sous-marin de poche Aquarius L'épave d'un tank L'épave d'un tank

Séance 2 : Analyse du besoin lié aux engins sous-marins

Durée

2 h

Objectifs

Analyser les différentes technologies d’engin sous-marin.

Problématique

Comment déplacer des hommes et/ou des technologies dans le milieu hostile sous-marin ?

Type d'activités

Activité pratique :

  • visionnage des vidéos ;
  • recherches internet si nécessaire.

Réalisation d’une carte d’idées sur différentes technologies d’engins sous-marins (débarquement et expédition D-Day) avec la mise en évidence, pour chaque technologie, du contexte d'utilisation, de son intérêt, des avantages et inconvénients, du principe de fonctionnement et des contraintes d'utilisation.

Modalités d'organisation

Par binômes voire par équipes de trois.

Chaque équipe ne traite qu’un seul système pendant 1 h dans la liste suivante :

  • le sous-marin de poche X-Craft (débarquement en 1944) ;
  • le sous-marin de poche Aquarius ;
  • le sous-marin de poche DeepWorker ;
  • le ROV SeaBotix ;
  • l’AUV Remus 100.

Restitution finale pour réaliser la carte d’idées complète (1 h).

Matériels

  • PC reliés à Internet, équipés d’un logiciel de carte mentale et d’un lecteur vidéo ;
  • casques audio.

Ressources

Opération D-Day – La cartographie des épaves du débarquement Opération D-Day – La cartographie des épaves du débarquement Les engins sous-marins robotisés Les engins sous-marins robotisés La découverte de l'épave d'un tank par un ROV La découverte de l'épave d'un tank par un ROV Les sous-marins de poche Les sous-marins de poche La découverte de l'épave du LST 523 par un sous-marin de poche La découverte de l'épave du LST 523 par un sous-marin de poche Les systèmes d'investigation sous-marine Les systèmes d'investigation sous-marine Sous-marin de poche DeepWorker Sous-marin de poche DeepWorker Plongée du sous-marin de poche DeepWorker Plongée du sous-marin de poche DeepWorker Vétérans dans le sous-marin de poche Aquarius Vétérans dans le sous-marin de poche Aquarius Mise à l'eau du sous-marin de poche Aquarius Mise à l'eau du sous-marin de poche Aquarius Mise à l'eau du sous-marin de poche Aquarius (suite et fin) Mise à l'eau du sous-marin de poche Aquarius (suite et fin) Exploration d'une épave par le sous-marin de poche Aquarius Exploration d'une épave par le sous-marin de poche Aquarius Plongée du sous-marin de poche Aquarius Plongée du sous-marin de poche Aquarius Récupération du sous-marin de poche Aquarius Récupération du sous-marin de poche Aquarius Portique de manutention Portique de manutention Sous-marins de poche à bord du navire support Sous-marins de poche à bord du navire support ROV sur une barge ROV sur une barge Sous-marin de poche X-Craft Sous-marin de poche X-Craft Fiche technique de l'engin autonome Remus 100 Fiche technique du ROV SeaBotix LBV300-5 Fiche technique du sous-marin de poche Aquarius Fiche technique du sous-marin de poche DeepWorker Fiche technique du sous-marin de poche X-Craft

Séance 3 : Analyse fonctionnelle des engins sous-marins

Durée

2 h

Objectifs

Mettre en évidence les fonctions techniques principales des engins sous-marins.

Problématique

Comment décrire les fonctions d’un engin sous-marin ?

Type d'activités

Activité pratique :

  • visionnage des vidéos si nécessaire ;
  • recherches internet si nécessaire ;
  • réalisation (complète ou partielle) des différents diagrammes de l’analyse fonctionnelle d’un engin sous-marin : énoncé du besoin, diagramme des interacteurs (pieuvre), tableau caractérisant les fonctions de service (critères, niveau, flexibilité), diagramme FAST ;
  • communication de cette analyse à l’aide d’un support numérique.

Modalités d'organisation

Par binômes ou par équipes de trois.

Chaque équipe ne traite qu’un seul système pendant 1 h parmi la liste suivante :

  • le sous-marin de poche X-Craft (débarquement en 1944) ;
  • le sous-marin de poche Aquarius ;
  • le sous-marin de poche DeepWorker ;
  • le ROV SeaBotix ;
  • l’AUV Remus 100.

Restitution finale (1 h).

Matériels

  • PC reliés à Internet, équipés d’une suite bureautique et d’un lecteur vidéo ;
  • casques audio.

Ressources

Opération D-Day – La cartographie des épaves du débarquement Opération D-Day – La cartographie des épaves du débarquement Les engins sous-marins robotisés Les engins sous-marins robotisés La découverte de l'épave d'un tank par un ROV La découverte de l'épave d'un tank par un ROV Les sous-marins de poche Les sous-marins de poche La découverte de l'épave du LST 523 par un sous-marin de poche La découverte de l'épave du LST 523 par un sous-marin de poche Les systèmes d'investigation sous-marine Les systèmes d'investigation sous-marine Sous-marin de poche DeepWorker Sous-marin de poche DeepWorker Plongée du sous-marin de poche DeepWorker Plongée du sous-marin de poche DeepWorker Vétérans dans le sous-marin de poche Aquarius Vétérans dans le sous-marin de poche Aquarius Mise à l'eau du sous-marin de poche Aquarius Mise à l'eau du sous-marin de poche Aquarius Mise à l'eau du sous-marin de poche Aquarius (suite et fin) Mise à l'eau du sous-marin de poche Aquarius (suite et fin) Exploration d'une épave par le sous-marin de poche Aquarius Exploration d'une épave par le sous-marin de poche Aquarius Plongée du sous-marin de poche Aquarius Plongée du sous-marin de poche Aquarius Récupération du sous-marin de poche Aquarius Récupération du sous-marin de poche Aquarius Portique de manutention Portique de manutention Sous-marins de poche à bord du navire support Sous-marins de poche à bord du navire support ROV sur une barge ROV sur une barge Sous-marin de poche X-Craft Sous-marin de poche X-Craft Fiche technique de l'engin autonome Remus 100 Fiche technique du ROV SeaBotix LBV300-5 Fiche technique du sous-marin de poche Aquarius Fiche technique du sous-marin de poche DeepWorker Fiche technique du sous-marin de poche X-Craft

Séance 4 : Les notions élémentaires de mécanique des fluides

Durée

1 h

Objectifs

Comprendre les notions élémentaires de mécanique des fluides.

Problématique

Quelle est l’influence de l’eau sur les engins sous-marins ?

Type d'activités

Cours

Modalités d'organisation

Classe entière

Matériels

  • PC du professeur ;
  • vidéoprojecteur.

Séance 5 : Application des notions de mécanique des fluides

Durée

2 h

Objectifs

Appliquer les notions de mécanique des fluides aux engins sous-marins.

Problématique

Quelle est l’influence de l’eau sur les engins sous-marins ?

Type d'activités

TD : différents exercices sur la mécanique des fluides appliquée aux engins sous-marins à partir d’un fichier exécutable.

Modalités d'organisation

Demi-classe (travail individualisé sur PC avec un fichier exécutable permettant l’évolution de chaque élève en fonction de son niveau : possibilité pour le professeur de différencier son aide en fonction des difficultés des élèves).

Matériels

PC.

Ressources

Fiche technique de l'engin autonome Remus 100

Séance 6 : Propulsion et flottabilité d’un ROV

Durée

2 h

Objectifs

  • Modéliser les actions de l’eau sur la paroi du ROV.
  • Vérifier les performances de sa propulsion.

Problématique

Comment dimensionner la propulsion du ROV à partir d’une modélisation ?

Type d'activités

Activité pratique :

  • modélisation des actions de l’eau (effort de traînée) sur un modèle simplifié du ROV à partir du module Flow Simulation de SolidWorks ;
  • vérification de la propulsion du ROV en fonction du modèle ;
  • vérification de la flottabilité du ROV.

Modalités d'organisation

Demi-classe et travail par binômes.

Matériels

PC équipés du logiciel SolidWorks et de son module Flow Simulation.

Ressources

Modélisation des actions de l'eau sur la paroi du ROV SeaBotix LBV150 Modélisation des actions de l'eau sur la paroi du ROV SeaBotix LBV150 Modèle numérique du ROV SeaBotix LBV150 Modèle numérique du ROV SeaBotix LBV150 Modèle numérique simplifié du ROV SeaBotix LBV150 Modèle numérique simplifié du ROV SeaBotix LBV150 Fiche technique du ROV SeaBotix LBV150-4

Séance 7 : Résistance du hublot de contrôle d’un ROV

Durée

2 h

Objectifs

Analyser la résistance du hublot de contrôle (caisson étanche) du ROV à la pression de l’eau.

Problématique

Comment concevoir un hublot de contrôle (partie protégeant la caméra et les composants électroniques) pour le ROV avec un coefficient de sécurité suffisant pour résister à la pression de l’eau ?

Type d'activités

Activité pratique :

  • visionnage d’une animation décrivant les composants du ROV (repérage du hublot de contrôle) ;
  • modélisation RDM sur le module Simulation de SolidWorks avec plusieurs configurations du fichier assemblage du hublot de contrôle ;
  • analyse des contraintes en fonction des formes des pièces constitutives du hublot.

Modalités d'organisation

Demi-classe et travail par binômes.

Matériels

PC équipés du logiciel SolidWorks et de son module Simulation.

Ressources

Modèle numérique du hublot de contrôle du ROV SeaBotix LBV150 Modèle numérique du hublot de contrôle du ROV SeaBotix LBV150 Modèle numérique du ROV SeaBotix LBV150 Modèle numérique du ROV SeaBotix LBV150 Fiche technique du ROV SeaBotix LBV150-4

Séance 8 : Synthèse de la séquence

Durée

2 h

Problématique

Comment préserver et valoriser un patrimoine non accessible car immergé ?

Type d'activités

Synthèse de la séquence :

  • préparation des synthèses orales de 10 minutes maximum par équipe d’élèves sur les sujets suivants :
    • la problématique sociétale et les problèmes techniques à résoudre pour filmer au plus près des épaves,
    • le déplacement d’un engin en milieu sous-marin (activité pratique sur la flottabilité et la propulsion du ROV),
    • la résistance des matériaux en milieu marin (activité pratique sur la résistance du hublot de contrôle du ROV) ;
  • synthèses orales par les élèves.

Modalités d'organisation

Demi-classe et synthèse par équipes de quatre élèves.

Explication des différents sujets de synthèse orale une semaine avant la séance pour permettre aux élèves de commencer la préparation de l’oral et de son support visuel numérique.

Temps approximatifs : 1 h 15 à 1 h 30 pour la fin de la préparation en équipes et 30 à 45 minutes pour les synthèses orales.

Matériels

  • PC du professeur équipé de tous les logiciels nécessaires pour la synthèse des élèves ;
  • vidéoprojecteur.

Séance 9 : Évaluation

Durée

4 h

Type d'activités

Devoir sur table

Modalités d'organisation

Classe entière