Brevet FR2740890A1 — publié le 19970509

L'étude du courant altematif est une difficulté pour beaucoup d'étudiants, particulièrement pour les formations courtes à caractère professionnel ainsi qu'en formation continue. Une des raisons de cette difficulté est que les notions de trigonométrie et de fonction sinus ne sont pas toujours acquises, si bien que les représentations de Fresnel paraissent trop abstraites. Le support pédagogique le plus souvent utilisé est le dessin du/des vecteur(s) sur un cercle trigonométrique. Dans certains cas, il est possible de déplacer sur le cercle un vecteur mobile et de repérer la valeur du sinus par projection sur l'axe concerné. On connait aussi des logiciels d'aide pédagogique qui en donnent une représentation animée. Cette approche est plus vivante mais elle nécessite la disponibilité de moyens informatiques, pas toujours accessibles à l'élève individuellement. L'objet de la présente invention est de matérialiser et d'animer les vecteurs de Fresnel sur une maquette pédagogique. Les principes de réalisation permettent d'en concevoir une version économique individuelle, manipulable par l'élève, ainsi qu'une version translucide adaptée au rétro-projecteur, à l'usage de l'enseignant. La maquette peut être réalisée en monophasé pour une redécouverte de la fonction sinus, mais elle est encore plus intéressante en triphasé où les relations entre tensions deviennent évidentes. La maquette selon l'invention est constituée d'au moins un support de base portant un cercle trigonométrique gradué à l'intérieur duquel est centré un disque de diamètre inférieur sur lequel sont reproduits un ou plusieurs vecteurs de Fresnel gradués. Ces vecteurs sont formés de fenêtres étroites découpées dans le disque ou réalisées en matériau transparent, de façon à rendre visible sous le disque une surface d'apparence contrastée par sa texture ou sa couleur, de couleur vive par exemple. Cette surface est délimitée par une figure géométrique dont la limite découverte à travers chaque vecteur matérialise la valeur du sinus correspondant, en relation avec la position angulaire relative du vecteur et de la figure géométrique. II va de soit que ce pourrait être également le cosinus, en utilisant la figure adaptée.Cette figure géométrique peut être réalisée par un contraste de texture ou par un contraste de couleur avec le fond du support, de même qu'elle peut être translucide ou polarisante pour la rétroprojection. Dans l'application envisagée, elle prendra avantageusement deux couleurs, par exemple rouge et bleu, respectivement pour les valeurs positives et négatives du sinus. Cette figure géométrique selon une fonction connue, est formée du lieu des points de concourt de la projection du sinus sur le vecteur toumant. II en résulte deux cercles tangeants, de diamètre égal au rayon du cercle trigonométrique, alignés sur l'axe sinus. La représentation du cosinus selon le même principe déterminerait deux cercles sur l'axe cosinus. La figure géométrique peut être fixe et solidaire du support, alors que le disque portant les vecteurs est mobile et guidé en rotation par un petit pivot central ou un guide périphérique. Quand le disque est entrainé en rotation, la surface de la figure découverte par le vecteur visualise à tout moment sur le vecteur lui même l'amplitude et le signe du sinus, sans nécessiter la projection du vecteur sur l'axe correspondant. Dans le cas d'une représentation triphasée, avec trois vecteurs déphasés de cent vingt degrés, I'élève peut suivre simultanément l'évolution des trois vecteurs représentatifs des trois tensions simples, mesurer leurs valeurs et vérifier à tout moment les relations entre tensions. Cette approche concrète facilite la compréhension ultérieure d'une approche plus théorique. Selon les mêmes principes, des variantes peuvent être réalisées pour s'adapter à d'autres finalités. II est possible par exemple d'utiliser un disque et des vecteurs fixes et de visualiser sur les vecteurs immobiles l'évolution de l'amplitude. Cette solution peut trouver une application pour représenter l'amplitude des tensions d'un générateur, dont les bobinages fixes du stator sont soumis à un champ toumant. Dans cette variante, la figure géométrique représentative de la fonction à visualiser, le sinus en général, est portée par un disque intercalaire mobile en rotation et de même centre, interposé entre le support de base et le disque fixe qui porte les vecteurs. Ce disque, de diamètre un peu supérieur au disque des vecteurs, porte à sa périphérie un index repère de position et la représentation symbolique des pôles magnétiques du rotor. Des secteurs de couleurs disposés à la périphérie du cercle trigonométrique symbolisent sur le support les bobinages d'une machine tournante. Quand le disque intercalaire est entrainé en rotation, le déplacement de la figure géométrique sous les vecteurs délimite la variation d'amplitude des vecteurs dans la couleur correspondant au signe, en relation avec la position angulaire du disque mobile. L'utilisation de matériaux transparents ou translucides est adaptée à la réalisation de maquettes pour l'usage du rétroprojecteur. La maquette elle-même peut aussi constituer la face avant d'une boite à lumière de faible épaisseur utilisable en panneau mural, dotée de moyens d'éclairage internes qui donnent une vision trés lumineuse des vecteurs.Un moyen non représenté et connu en soit, excroissance, creux, surface adhérente, permet d'entrainer manuellement le disque en rotation, de même qu'il est possible de prévoir une animation continue au moyen d'un petit moteur à faible vitesse. Les dessins annexés illustrent l'invention selon deux modes de réalisation appliqués à la représentation triphasée. Selon un premier mode, - la figure 1 représente une maquette assemblée. - la figure 2 représente le support. - la figure 3 représente le disque mobile porteur des vecteurs. Selon un second mode, - la figure 4 représente le support. - la figure 5 représente le disque intercalaire mobile. - la figure 6 représente le disque fixe porteur des vecteurs. En référence au premier mode de réalisation, la figure géométrique représentative de la fonction est fixe alors que le disque portant les vecteurs est mobile. Le support (1) réalisé dans un matériau rigide, porte le tracé d'un cercle trigonométrique (2) gradué. La figure géométrique (3) qui détermine une surface contrastée représentative de la fonction est solidaire du support. Elle peut être opaque, en rouge et bleu par exemple et réalisée par un procédé d'impression. Elle peut aussi être réalisée par inclusion d'un matériau translucide de couleur, de même que le support peut être translucide dans son ensemble et masqué dans la surface comprise entre le cercle trigonométrique et la figure géométrique (3). Le disque (4) porte des vecteurs de Fresnel transparents à la lumière. Ils sont obtenus par la découpe de fenêtres étroites dans un disque opaque ou par masquage d'un disque transparent. Le disque (4) se superpose au support, à l'intérieur du cercle trigonométrique. II est maintenu et centré par un petit pivot (9), mais il pourrait aussi être maintenu et guidé à sa périphérie. En référence au second mode de réalisation, la figure géométrique représentative de la fonction est mobile alors que le disque portant les vecteurs est fixe. Le support (1) porte un cercle trigonométrique gradué (2) à la périphérie duquel des secteurs de couleur (10) symbolisent les bobinages d'une machine tournante, un alternateur par exemple. Pour la projection ou un rétro-éclairage il est avantageux d'utiliser un support transparent sur lequel les zones sombres, les dessins en couleurs et les indications diverses seront obtenues par masquage. A défaut, il est nécessaire de prévoir à minima des rayons (11) transparents à la lumière placés en regard des vecteurs. La figure géométrique (3) représentative de la fonction est identique à celle de la description ci-avant et portée par un disque intercalaire mobile (7) qui prend place sur le support à l'intérieur du cercle trigonométrique (2). Un index permet de repérer sa position angulaire, de même qu'il est possible, comme représenté sur la figure 5, de symboliser à la périphérie les pôles magnétiques (8) d'une machine tournante. Le guidage sera avantageusement obtenu par la rotation autour d'un pivot fixe (9) qui a également pour fonction de centrer le disque (4) et de l'immobiliser par rapport au support (1), chaque vecteur étant en regard du bobinage correspondant. Le dispositif selon l'invention est une maquette destinée à l'enseignement de l'électricité. REVENDICATIONS 1) Maquette pédagogique d'animation de vecteurs de Fresnel, constituée au moins d'un support de base (1) portant un cercle trigonométrique gradué (2) à l'intérieur duquel est centré un disque de diamètre inférieur (4) sur lequel sont reproduits un ou plusieurs vecteurs de Fresnel gradués, caractérisée en ce que les vecteurs sont formés de fenêtres étroites (5) découpées dans le disque (4) ou réalisées en matériau transparent, de façon à rendre visible sous le disque une surface d'apparence contrastée par sa texture ou sa couleur délimitée par une figure géométrique (3), dont la limite découverte à travers chaque vecteur matérialise la valeur du sinus, en relation avec la position angulaire relative du vecteur et de la figure géométrique. 2) Maquette pédagogique d'animation de vecteurs de Fresnel selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface d'apparence contrastée est délimitée par une figure géométrique (3) formée du lieu des points de concourt de la projection du sinus sur le vecteur tournant, de telle façon qu'il en résulte deux cercles tangeants de diamètre égal au rayon du cercle trigonométrique alignés sur l'axe sinus. 3) Maquette pédagogique d'animation de vecteurs de Fresnel selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le disque (4) portant les vecteurs est mobile et guidé en rotation par un pivot central (9) ou un guide périphérique et en ce que la figure géométrique d'apparence contrastée (3) est fixe et solidaire du support (1). 4) Maquette pédagogique d'animation de vecteurs de Fresnel selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le disque (4) portant les vecteurs est fixe et en ce que la figure géométrique (3) représentative de la fonction est portée par un disque intercalaire (7) mobile en rotation, de même centre, interposé entre le support (1) et le disque fixe (4) qui porte les vecteurs. 5) Maquette pédagogique d'animation de vecteurs de Fresnel selon les revendications 1, 2 et 4, caractérisée en ce que le disque intercalaire (7) mobile porte un index repère de position ainsi que la représentation des pôles magnétiques du rotor (8) et en ce que des secteurs de couleurs (10) périphériques au cercle trigonométrique (2) symbolisent sur le support (1) les bobinages d'une machine tournante. 6) Maquette pédagogique d'animation de vecteurs de Fresnel selon les revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les surfaces de couleurs ou d'apparence contrastée sont constituées de matériaux translucides ou polarisants à travers lesquels peut être projetée la lumière d'un rétro projecteur. 7) Maquette pédagogique d'animation de vecteurs de Fresnel selon les revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la maquette pédagogique d'animation des vecteurs de Fresnel est la face avant d'une boite à lumière formant rétroéclairage. 8) Maquette pédagogique d'animation des vecteurs de Fresnel selon les revendications 1 à 6 caractérisée en ce que les disques mobiles sont entrainés en rotation par un moteur.