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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

Operation D-Day: The landing barges cartographic expedition Operation D-Day: The landing barges cartographic expedition Trailer of the film: “D-Day's sunken secrets” Trailer of the film: “D-Day's sunken secrets” Operation D-Day mapping expedition DeepWorker mini-submarine DeepWorker mini-submarine Map of the study area Map of the study area The catamaran L'Étoile Magique The catamaran L'Étoile Magique 3D image displays 3D image displays Mni-sub Aquarius exploring a wreck Mni-sub Aquarius exploring a wreck A tank wreck A tank wreck

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

Operation D-Day: The landing barges cartographic expedition Operation D-Day: The landing barges cartographic expedition Remotely operated underwater vehicles Remotely operated underwater vehicles Discovery of a tank wreckage by a ROV Discovery of a tank wreckage by a ROV Mini-submarines Mini-submarines Discovery of the wreck of LST 523 by a mini-submarine Discovery of the wreck of LST 523 by a mini-submarine The underwater research systems The underwater research systems DeepWorker mini-submarine DeepWorker mini-submarine Mini-sub DeepWorker diving Mini-sub DeepWorker diving Veterans in the mini sub Aquarius Veterans in the mini sub Aquarius Launching the mini-sub Aquarius Launching the mini-sub Aquarius Launching the mini sub Aquarius (continuation and end). Launching the mini sub Aquarius (continuation and end). Mni-sub Aquarius exploring a wreck Mni-sub Aquarius exploring a wreck Mini-sub Aquarius diving Mini-sub Aquarius diving Recovery of the Aquarius mini-sub Recovery of the Aquarius mini-sub Gantry crane Gantry crane Mini-subs on the deck of the support ship Mini-subs on the deck of the support ship ROV on a barge ROV on a barge X-Craft mini-sub X-Craft mini-sub Specification sheet of the Remus 100 ROV Specification sheet of the SeaBotix LBV300-5 ROV Specification sheet of the Aquarius mini-submarine Specification sheet of the DeepWorker mini-submarine 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

Operation D-Day: The landing barges cartographic expedition Operation D-Day: The landing barges cartographic expedition Remotely operated underwater vehicles Remotely operated underwater vehicles Discovery of a tank wreckage by a ROV Discovery of a tank wreckage by a ROV Mini-submarines Mini-submarines Discovery of the wreck of LST 523 by a mini-submarine Discovery of the wreck of LST 523 by a mini-submarine The underwater research systems The underwater research systems DeepWorker mini-submarine DeepWorker mini-submarine Mini-sub DeepWorker diving Mini-sub DeepWorker diving Veterans in the mini sub Aquarius Veterans in the mini sub Aquarius Launching the mini-sub Aquarius Launching the mini-sub Aquarius Launching the mini sub Aquarius (continuation and end). Launching the mini sub Aquarius (continuation and end). Mni-sub Aquarius exploring a wreck Mni-sub Aquarius exploring a wreck Mini-sub Aquarius diving Mini-sub Aquarius diving Recovery of the Aquarius mini-sub Recovery of the Aquarius mini-sub Gantry crane Gantry crane Mini-subs on the deck of the support ship Mini-subs on the deck of the support ship ROV on a barge ROV on a barge X-Craft mini-sub X-Craft mini-sub Specification sheet of the Remus 100 ROV Specification sheet of the SeaBotix LBV300-5 ROV Specification sheet of the Aquarius mini-submarine Specification sheet of the DeepWorker mini-submarine 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

Specification sheet of the Remus 100 ROV

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

Modeling the action of water on the wall of the SeaBotix LBV15 ROV Modeling the action of water on the wall of the SeaBotix LBV15 ROV Digital model of the SeaBotix LBV150 ROV Digital model of the SeaBotix LBV150 ROV Digital model (simplified) of the SeaBotix LBV150 ROV Digital model (simplified) of the SeaBotix LBV150 ROV 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

Digital model of the control porthole of the ROV SeaBotix LBV150 Digital model of the control porthole of the ROV SeaBotix LBV150 Digital model of the SeaBotix LBV150 ROV Digital model of the SeaBotix LBV150 ROV 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