La grue flottante (8e année)

1. La grue flottante (8e année)

2. Contexte technologique • Situation problématique • Une ville côtière du Nouveau-Brunswick aimerait installer des éoliennes dans la région afin de satisfaire l’augmentation de la demande en électricité causée par l’arrivée de nouveaux habitants et de nouvelles industries au cours des dernières années. • La ville fait appelle à la compagnie Éner-Vent, qui fait l’installation d’éoliennes. La compagnie remarque que la région a de forts vents constants mais il n’y a pas assez de terre libre pour installer suffisamment d’éoliennes. • L’entreprise suggère donc de placer les éoliennes en mer où le vent est encore plus fort, donc les éoliennes seraient encore plus profitables. L’entreprise n’a jamais placé des éoliennes en mer, donc elle doit trouver une façon de manipuler les énormes composantes des éoliennes afin d’en faire l’installation.

3. Contexte technologique • Problème • Tu es embauché(e) à titre de consultant(e) par l’entreprise Éner-vent afin de trouver un moyen efficace et sécuritaire de manipuler les composantes d’une éolienne dans le but d’en faire l’installation en mer. • Comment vas-tu procéder? Avec quel équipement? Que suggères-tu à l’entreprise?

4. Solution technologique • Système technologique proposé • Parmi les différentes options de système technologique qui pourraient répondre aux besoins de l'entreprise, ce module te propose de concevoir et de construire une grue flottante pouvant manipuler les énormes composantes d’une éolienne afin d’en faire l’installation. • En t’inspirant des différents types de grue flottante existante, tu devras concevoir et construire une grue en fonction des besoins de la tâche à accomplir. Par la suite, tu devras présenter ta grue, format réduit, à l’entreprise et lui démontrer que ta solution technologique est la meilleure.

5. Solution technologique • Contraintes et exigences de la solution • L’éolienne comprend deux composantes majeurs, la tour et la nacelle. Les composantes seront sur une barque près du site de construction. La grue soulèvera les composantes de la barque pour ensuite les placer à leur position finale. Donc, la grue devra pouvoir soulever deux pièces de différentes formes. • Pour résoudre ce problème, tu devras concevoir une grue flottante qui restera relativement stable en soulevant le plus grand poids possible. Le dessus de la plate-forme doit rester au-dessus de l’eau. La plate forme de ta grue doit avoir une dimension maximum de 30 cm par 40 cm et la structure de la grue doit avoir une hauteur totale minimum de 25 cm. La masse doit être soulevée au-dessus de l’eau à l’extérieur de la plate-forme.

6. Contraintes Vue de dessus Grue 30cm 25cm min 40cm 5cm min Vue de côté

7. Contraintes • Pourquoi? • 30cm x 40cm: Un bac standard d’eau est 40cm x 50cm. Ceci permet d’avoir assez d’espace sur les côtés. Il ne faut absolument pas que la grue touche les côtés du bac. • 25cm au-dessus de l’eau: si la grue est trop courte, il est trop facile de l’avoir stable. Plus la grue est haute, plus il est difficile de la garder stable. • De plus, la grue devrait être à au moins 5cm du fond, pour faire sûr qu’elle ne le touche pas lorsqu’on ajoute des poids.

8. Contraintes supplémentaires Vue de dessus Centre Zone pour poids Grue 5cm Pour plus de difficulté, les poids ne devraient pas être centrés sur la grue,mais plutôt hors-centre. Cette région devrait être ouverte à l’eau. Ceci permet de mieux illustrer ce qui se passe en réalité. Les grues doivent soulever des poids qui ne sont pas placées au centre.

9. Contraintes supplémentaires Vue de dessus Centre Zone pour poids Contre-poids Grue 5cm Pour balancer la grue, les élèves devront ajouter des contrepoids.

10. Solution technologique • Ressources matérielles permises • 100 bâtonnets à café • 2.5 m ficelle • 8 bouteilles en plastique • 1 petit pistolet à colle • 8 cannettes en aluminium • 4 bâtonnets de colle transparente • colle à bois • bac d’eau • 1 rouleau de «duct tape» • poids • 1 couteau utilité • sable Des bouteilles de jus de 1.89L sont un peu trop grosses et rendent le design trop simple.

11. Amorce de la solution • Dans ce module, tu vas découvrir différentes technologies associées aux grues flottantes. • Le but du module sera de soulever les différentes composantes des éoliennes pour pouvoir en faire l’installation de façon efficace et sécuritaire. • Tu auras le défi de concevoir et construire une grue flottante qui devra rester stable en manipulant différents objets. Grâce à ce projet, tu pourras développer tes connaissances et tes habiletés associées aux grues et aux aspects reliés à la flottaison. • De plus, tout au long de ton processus de conception, tu pourras apporter des modifications à ta grue afin d’optimiser son rendement

12. Objectif de ce module • Initier les étudiants aux principes de poussée d’Archimède • Force, pression, etc. • Stabilité des véhicules en mer • L’objectif n’est pas le design de la tour qui va tenir les poids; en principe, ils ont appris les principes de la tour en 7e année.

13. m. vol. globale < m. vol. eau m. vol. < m. vol. eau air air eau Volumes équivalents m. vol. > m. vol. eau Apprentissage La masse volumique d’un objet doit être plus faible que celle de l’eau pour que ça flotte. On peut modifier la forme d’un objet pour qu’il puisse flotter.

14. Apprentissage Centre de masse Poussée

15. Apprentissage • Pour qu’un objet puisse flotter, la poussée d’Archimède doit être plus grande que le poids de l’objet. • Pour ce faire, le poids du fluide déplacé par l’objet doit être plus grand que le poids total de l’objet. • Alors, un bateau qui pèse 1000 kg va descendre dans l’eau jusqu’à ce que 1000 kg d’eau soit déplacé. • Tant que le bateau ne sera pas submergé une fois que 1000 kg d’eau soit déplacé, la bateau flottera.

16. Poussée d’Archimède m = 100kg 1m 0.25m 0.5m 0.2m 0.1m Ne flotte pas encore flotte

17. Apprentissage Stabilité Le point important ici: plus le centre de gravité est bas, plus la grue est stable.

18. Apprentissage Grue Grue Vue de côté Vue de côté La grue de droite est plus stable, parce qu’elle flotte plus creux dans l’eau. Pour faire flotter la grue plus bas, on peut ajouter du sable ou des cailloux dans les cannettes (bouteilles). Mais, si la grue flotte trop bas, lorsqu’on ajoutera des poids elle sera submergée et risque de couler.

19. Exemple de grue Pour accrocher des poids. Poids sont suspendus au-dessus de l’eau.

20. Mesure de performance Suggestion de mesure de performance: • Permet de mettre de l’emphase sur l’optimisation du design, et pas seulement le principe « plus gros est meilleur ». • En réalité, étant donné des budgets limités, on maximise selon l’argent disponible. On peut aussi exiger un poids minimum, comme 700g.

21. Objectifs clés • Plus la grue flotte bas, plus elle est stable. • Plus la grue est large, plus elle peut supporter de poids, et plus elle est stable. • Poussée d’Archimède: pour que ça flotte, il faut que le poids d’eau déplacé soit plus grand que le poids de la grue.