SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

Durée 30 minutes – 10 points

En quête de fraîcheur

Dans les grandes villes, les vagues de chaleur seront de plus en plus fréquentes et particulièrement difficiles à supporter dans les zones urbanisées, notamment à cause du phénomène appelé îlot de chaleur urbain. Les scientifiques cherchent des solutions d'aménagement afin de lutter contre ce phénomène.

Document 1 : graphique représentant l’élévation de température liée à l’effet îlot de chaleur urbain (ICU) en fonction de la localisation

L’effet îlot de chaleur urbain est un phénomène d’élévation de la température en ville par rapport aux températures des zones rurales ou péri-urbaines avoisinantes.

Source : d’après https://www.apur.org/sites/default/files/icu_cahier5.pdf

Question 1 (2 points) : à partir du document 1, comparer l’effet îlot de chaleur urbain (ICU) en hypercentre dense et dans un parc urbain. Des valeurs chiffrées sont attendues.

Document 2 : schémas représentant les effets d’un arbre en ville

• Rejet de vapeur d'eau : Refroidissement de l'air
• Absorption d'eau : plusieurs centaines de litres par jour et par arbre
• Rayonnement solaire : 100 %
  • Rayonnement réfléchi par l'arbre : 30 %
  • Rayonnement absorbé par l'arbre : 50 %
  • Rayonnement transmis sous l'arbre : 20 % = zone ombragée

Source : d’après https://www.apur.org/sites/default/files/documents/ilot_chaleur_urbains_paris_cahier1.pdf

Question 2 (2 points) : à l’aide du document 2, expliquer en quoi la présence d'arbres permet de réduire l'effet îlot de chaleur urbain.

Document 3 : effet de la mycorhization

En milieu urbain, les arbres rencontrent plusieurs difficultés. Les revêtements artificiels de sol emmagasinent plus de chaleur qu’en milieu forestier entraînant un rejet d’eau plus important par l’arbre. De plus, ces revêtements de sol sont imperméables, limitant ainsi l'absorption d'eau par les arbres. Lorsque la quantité d'eau rejetée par un arbre est supérieure à la quantité d'eau qu'il peut absorber, on dit qu’il est condition de stress hydrique.

Certains arbres peuvent s’associer à des champignons du sol au niveau de leur racines ce qui forme des mycorhizes. Des expériences sont menées chez des arbres d’une même espèce, mycorhizés ou non, dans des conditions de stress hydrique variables. Des mesures de l’humidité du sol dans différentes conditions sont présentées dans le tableau suivant.

Mesures de l’humidité moyenne du sol en pourcentage dans différentes conditions

Source : d’après https://www.researchgate.net/publication/337306847

Question 3 (2 points) : à l’aide du document 3, indiquer quel est l'avantage de la mycorhization pour les arbres urbains. Des données chiffrées sont attendues.

Document 4 : résistance au stress hydrique de six espèces d'arbres présentes en France

Résistance au stress hydrique :

• Platane : ~ 74 %
• Poirier : ~ 64 %
• Pin : ~ 52 %
• Robinier : ~ 42 %
• Chêne : ~ 36 %
• Prunier : ~ 25 %

Source : d’après http://www.verdi-ingenierie.fr/

Question 4 (4 points) : en argumentant votre réponse et à l’aide de l’ensemble des documents, proposer des solutions d'aménagement des zones urbaines pour lutter efficacement, contre l'effet ICU.

La réponse sera rédigée en 20 lignes maximum.

TECHNOLOGIE

Durée 30 minutes – 10 points

Toute réponse, même incomplète, expliquant la démarche du candidat sera prise en compte. La qualité de la rédaction est prise en compte dans le barème.

Le vélo hydrofoil à assistance électrique

Document 1 : description du vélo hydrofoil

Sur ce vélo à ailerons immergés (communément appelés hydrofoils), une selle (1) permet à l’utilisateur de s'asseoir. Un guidon (2), relié au foil avant (6) sert à le diriger. À l'arrêt, le vélo est presque immergé. Ce vélo hydrofoil est à assistance électrique, il possède un capteur de couple (10) qui détecte le pédalage et permet d’enclencher l’assistance du moteur électrique. En phase d’utilisation, le mouvement du pédalier (3) est transmis à une hélice (4), qui permet de propulser le vélo hydrofoil en avant. Un système de foils (5 et 6) permet de soulever le vélo au-dessus de l’eau. Les ailerons et l’hélice restent alors sous la surface de l’eau pour équilibrer et propulser. En réponse à une demande d’assistance électrique, un moteur électrique (8) agit sur l’hélice (4) ce qui permet d’atteindre une vitesse d’environ $20\text{ km/h}$.

Une batterie (7) stocke et alimente le système en énergie. Cette batterie, amovible, se recharge, sur secteur, hors utilisation de l’hydrofoil. Un contrôleur/afficheur (9) permet de moduler (faire varier) la puissance délivrée par la batterie (7) et d’afficher son état de charge.

Illustration d'après : https://manta5.com

Document 2 : caractéristiques des matériaux des foils

Légende : ★ très faible | ★★ faible | ★★★ moyenne | ★★★★ haute / excellente

Document 3 : état de charge de la batterie

La batterie possède un capteur de charge qui transmet des valeurs entières à la carte électronique. En fonction de l'état de charge, une LED sur l’afficheur indique une couleur spécifique.

Questions

Question 1 (2 points) : sur le document réponses N°1, à l’aide du document 1, pour le vélo hydrofoil à assistance électrique, compléter le tableau en associant fonction et solution.

Question 2 (2 points) : sur le document réponses N°1, à l’aide du document 1, compléter :

• l’énergie de sortie, pendant la phase d’utilisation ;
• la chaîne d’énergie (de l’assistance électrique) ;
• la chaîne d’information.

Question 3 (1,5 points) :
L’aluminium ou la fibre de carbone sont des matériaux qui peuvent être choisis pour fabriquer les foils.
Sur la copie, à l'aide du document 2, présenter et expliquer trois caractéristiques qui permettent de choisir la fibre de carbone pour fabriquer les deux foils du vélo. Justifier ce choix.

Question 4 (2 points) : sur le document réponses N°2, à l’aide du document 3, compléter les cases vides du programme.

Question 5 (1,5 points) :
La capacité de la batterie est de $23,8\text{ A}\cdot \text{h}$. Le constructeur annonce un temps de charge de 4 heures lorsque le chargeur délivre un courant de charge de $6\text{ A}$ sous une tension de $42\text{ V}$.
Sur la copie, calculer le temps de charge théorique de la batterie et comparer au temps annoncé par le constructeur. Détailler le calcul en précisant les unités.

Question 6 (1 point) : à partir du document 1 et d’une analyse de ce système, indiquer au moins un type d’utilisateur susceptible d'être intéressé par le vélo hydrofoil. Préciser un besoin auquel le vélo hydrofoil pourrait répondre. Rédiger les réponses sur la copie en 3 ou 4 lignes.

ANNEXES (À rendre avec la copie)

Document réponses N°1 (Page 7 sur 8)

Question 1 (2 points) :

Question 2 (2 points) :

Chaîne d'information :

• Entrées : Rotation du pédalier, Consigne de l'utilisateur
• Acquérir : [ ……………………… ] / Contrôleur
• Traiter : Carte électronique
• Communiquer : [ ……………………… ] -> État de charge de la batterie
• Sortie d'ordres vers la chaîne d'énergie.

Chaîne d'énergie :

• Entrée : Prise de courant 230 Volts
• Alimenter et stocker : [ ……………………… ]
• Distribuer : Interface de puissance
• Convertir : [ ……………………… ]
• Transmettre : [ ……………………… ] -> Déplacement du vélo / Énergie : [ ……………………… ]
• Autre entrée : Énergie mécanique provenant de l'utilisateur -> transmise au bloc Transmettre.

Document réponses N°2 (Page 9 sur 8)

Question 4 (2 points) :

Compléter le programme ci-dessous :

définir AfficherNiveauBatterie
avec :
  var : NiveauBatterie as Number

si NiveauBatterie <= 10 alors
    AffichageLED avec :
    Valeur [ " " ]

si NiveauBatterie > 10 et NiveauBatterie <= [   ] alors
    AffichageLED avec :
    Valeur " ROUGE "

si NiveauBatterie > 25 et NiveauBatterie <= 50 alors
    AffichageLED avec :
    Valeur [ " " ]

si NiveauBatterie > 50 et NiveauBatterie <= [   ] alors
    AffichageLED avec :
    Valeur " JAUNE "

si NiveauBatterie > 75 alors
    AffichageLED avec :
    Valeur " VERT "