L'analyse fonctionnelle et structurelle des objets

Un objet technique est tout ce qui a été conçu et fabriqué par l'homme pour satisfaire un besoin. C'est une création artificielle, par opposition aux objets naturels (comme un arbre ou une roche).

• Définition d'un objet technique : Un objet technique est un produit de l'activité humaine qui transforme des ressources (matériaux, énergie, information) pour rendre un service ou remplir une fonction.
• Distinction objet naturel/objet technique :
  • Objet naturel : existe sans intervention humaine (fruit, montagne).
  • Objet technique : créé et modifié par l'homme (chaise, téléphone, voiture).
• Besoins satisfaits par les objets : Les objets techniques répondent à des besoins variés : se nourrir (four), se déplacer (vélo), communiquer (smartphone), se loger (maison), se protéger (casque), etc.

Analyser un objet technique, c'est comme le démonter pièce par pièce (conceptuellement) pour comprendre comment il est fait et comment il fonctionne.

• Comprendre le fonctionnement : Savoir comment l'objet atteint son but, quels sont ses principes physiques ou mécaniques. Par exemple, comprendre comment un vélo avance.
• Améliorer un objet existant : Identifier les points faibles ou les aspects qui pourraient être optimisés (plus rapide, plus léger, plus économique, plus écologique).
• Concevoir de nouveaux objets : S'inspirer des solutions existantes, adapter des principes pour créer des innovations ou répondre à de nouveaux besoins.

Il existe plusieurs façons d'aborder l'étude d'un objet technique, souvent complémentaires.

• Analyse fonctionnelle : Elle s'intéresse à ce que fait l'objet et pourquoi il le fait. Elle répond aux questions "À quoi sert-il ?" et "Comment remplit-il sa fonction ?".
• Analyse structurelle : Elle s'intéresse à comment est fait l'objet. Elle décrit sa composition, les matériaux, les formes, l'agencement des pièces.
• Analyse comportementale : Elle étudie la manière dont l'objet réagit dans différentes situations ou sous différentes sollicitations (résistance, sécurité, ergonomie).

Avant de concevoir ou d'analyser un objet, il est essentiel de comprendre le besoin qu'il est censé satisfaire.

• Expression du besoin (à quoi ça sert ?) : C'est la première étape. On se pose la question : "Quel problème l'objet va-t-il résoudre ou quel service va-t-il rendre ?"
  • Exemple : "J'ai besoin de me déplacer rapidement sans polluer."
• Fonction d'usage (service rendu à l'utilisateur) : C'est le service principal que l'objet rend à l'utilisateur. C'est la raison pour laquelle l'utilisateur l'achète ou l'utilise.
  • Exemple : La fonction d'usage d'un vélo est de permettre à l'utilisateur de se déplacer.
• Exemples concrets :
  • Téléphone portable : Fonction d'usage = Permettre à l'utilisateur de communiquer à distance.
  • Chaise : Fonction d'usage = Permettre à l'utilisateur de s'asseoir.

Le diagramme bête à cornes est un outil simple pour formaliser le besoin et la fonction d'usage d'un objet technique. Il met en évidence l'interaction entre l'utilisateur, l'objet et l'environnement.

• Méthode de représentation du besoin : Il répond à trois questions fondamentales :
  1. À qui rend-il service ? (L'utilisateur principal)
  2. Sur quoi agit-il ? (La matière d'œuvre, ce qui est transformé ou transporté)
  3. Dans quel but ? (La fonction d'usage)
• Acteur, objet, matière d'œuvre :

        -------------------
       |                   |
       |     À qui ?       |
       |  (Utilisateur)    |
       |                   |
        -------------------
               |
               | Rend service à
               V
        -------------------
       |                   |
       |       OBJET       |<---- Agit sur
       |     TECHNIQUE     |
       |                   |
        -------------------
               |
               | Dans quel but ?
               V
        -------------------
       |                   |
       |   Matière d'œuvre  |
       |       (Ce qui est  |
       |    transformé/porté)|
        -------------------
  

• Construction et interprétation :
  • Exemple du vélo :
    • À qui rend-il service ? L'utilisateur
    • Sur quoi agit-il ? Le cycliste (qui est déplacé)
    • Dans quel but ? Se déplacer
  • Le diagramme serait : L'utilisateur --(Rend service à)--> Vélo <-- (Agit sur) -- Le cycliste --(Dans quel but)--> Se déplacer.
  • Le "sur quoi" est parfois plus abstrait (ex: information pour un ordinateur).

En plus des fonctions d'usage, un objet peut avoir des fonctions d'estime. Elles sont souvent subjectives et liées aux préférences personnelles.

• Définition des fonctions d'estime : Ce sont les fonctions qui procurent du plaisir, de l'émotion ou qui répondent à des critères esthétiques, de mode, de prestige, etc. Elles ne sont pas liées à l'efficacité technique directe mais à la perception de l'utilisateur.
  • Exemple : La couleur d'un smartphone, le design d'une voiture, la marque d'un vêtement.
• Aspects esthétiques et subjectifs : Elles sont souvent difficiles à mesurer objectivement car elles dépendent des goûts de chacun.
• Influence sur le choix de l'utilisateur : Les fonctions d'estime jouent un rôle majeur dans la décision d'achat. Un produit techniquement excellent peut échouer s'il ne plaît pas esthétiquement.

Après avoir identifié ce que l'objet doit faire (fonction d'usage), on s'intéresse à comment il le fait. C'est le rôle des fonctions techniques.

• Définition des fonctions techniques : Ce sont les actions internes que doit réaliser l'objet ou ses constituants pour assurer la fonction d'usage. Elles décrivent des opérations concrètes au niveau des composants.
  • Exemple pour un vélo : "Transmettre le mouvement aux roues", "Freiner le vélo", "Maintenir l'équilibre".
• Actions internes de l'objet : Elles sont invisibles pour l'utilisateur mais indispensables au bon fonctionnement.
• Réalisation des fonctions d'usage : Plusieurs fonctions techniques concourent à la réalisation d'une fonction d'usage.

Le diagramme FAST est un outil graphique qui permet de décomposer et d'organiser les fonctions techniques.

• Décomposition des fonctions : Il organise les fonctions de manière hiérarchique, en répondant aux questions "Comment ?" et "Pourquoi ?".
  • De gauche à droite : "Comment ?" (décrit les fonctions techniques qui réalisent la fonction précédente).
  • De droite à gauche : "Pourquoi ?" (justifie la présence des fonctions techniques).
• Logique 'Comment ?' et 'Pourquoi ?' :
  • Pour réaliser la fonction A, Comment fait-on ? → Fonctions B, C, D
  • Pourquoi faire B, C, D ? → Pour réaliser la fonction A
• Construction d'un diagramme FAST :

  [Fonction d'usage]
        | Comment ?
        V
  [Fonction Technique 1] -- et -- [Fonction Technique 2]
        | Comment ?                  | Comment ?
        V                            V
  [Solution Technique 1.1]      [Solution Technique 2.1]
  

  • Chaque fonction technique est réalisée par une ou plusieurs solutions techniques.

Les solutions techniques sont les moyens concrets mis en œuvre pour réaliser les fonctions techniques.

• Moyens mis en œuvre pour les fonctions techniques : Ce sont les composants, les mécanismes, les matériaux choisis pour accomplir une tâche spécifique.
  • Exemple pour la fonction technique "Transmettre le mouvement aux roues" d'un vélo : Chaîne, pignons, dérailleur, pédalier.
• Composants et mécanismes : Chaque solution technique correspond à une partie identifiable de l'objet.
• Exemples de solutions techniques :
  • Fonction technique : "Guider la roue avant" (vélo)
  • Solution technique : Fourche, jeu de direction.
  • Fonction technique : "Stocker l'énergie électrique" (téléphone)
  • Solution technique : Batterie (Lithium-ion).

L'analyse structurelle se concentre sur la composition physique de l'objet.

• Nomenclature des pièces : C'est la liste de toutes les pièces qui composent l'objet, souvent numérotées pour faciliter le repérage.
• Matériaux utilisés : Pour chaque pièce, on identifie le matériau (métal, plastique, bois, composite...) et ses propriétés (résistance, légèreté, conductivité...).
• Repérage sur un éclaté : Un dessin éclaté montre l'objet comme s'il était démonté, avec chaque pièce séparée mais dans son ordre d'assemblage. Chaque pièce est numérotée et renvoie à la nomenclature. C'est essentiel pour le montage/démontage et l'identification des composants.

Les liaisons décrivent comment les différentes pièces sont assemblées et comment elles peuvent bouger les unes par rapport aux autres.

• Types de liaisons (fixe, pivot, glissière...) :
  • Liaison fixe (encastrement) : Les pièces sont solidaires, aucun mouvement relatif possible (soudure, vis serrées).
  • Liaison pivot : Permet une rotation autour d'un axe (charnière, roue sur son axe).
  • Liaison glissière : Permet une translation le long d'un axe (tiroir, piston).
  • Liaison hélicoïdale : Rotation + translation le long du même axe (vis-écrou).
  • Chaque liaison retire un ou plusieurs degrés de liberté.
• Degrés de liberté : Un solide dans l'espace a 6 degrés de liberté (3 translations : x, y, z et 3 rotations autour de x, y, z). Une liaison supprime certains de ces mouvements.
• Représentation schématique des liaisons : Il existe des symboles normalisés pour représenter chaque type de liaison sur un schéma cinématique.

Ces chaînes décrivent le parcours de l'énergie et de l'information au sein de l'objet technique.

• Définition et rôle :
  • Chaîne d'énergie : C'est l'ensemble des éléments qui permettent de fournir, transformer et transmettre l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'objet.
  • Chaîne d'information : C'est l'ensemble des éléments qui permettent d'acquérir, de traiter et de communiquer les informations nécessaires au pilotage de l'objet.
• Constituants de la chaîne d'énergie :
  1. Alimenter : Apporter l'énergie (pile, batterie, panneau solaire, prise électrique).
  2. Distribuer : Gérer l'arrivée de l'énergie aux différents composants (interrupteur, contacteur).
  3. Convertir : Transformer l'énergie d'une forme à une autre (moteur électrique -> énergie mécanique, ampoule -> lumière).
  4. Transmettre : Acheminer l'énergie convertie vers l'actionneur (engrenages, courroies, arbres).
• Constituants de la chaîne d'information :
  1. Acquérir : Capter des données de l'environnement (capteur de température, micro, caméra).
  2. Traiter : Interpréter les informations acquises (microprocesseur, carte électronique, automate).
  3. Communiquer : Transmettre les informations traitées (écran, voyant lumineux, haut-parleur, transmission sans fil).

Ces outils sont indispensables pour comprendre, concevoir et fabriquer un objet technique.

• Importance de la schématisation : Les schémas simplifient la réalité pour mettre en évidence les principes de fonctionnement ou les relations entre les composants. Ils sont un langage universel pour les techniciens.
• Types de schémas (blocs, cinématiques, électriques) :
  • Schéma bloc : Représente les fonctions principales de l'objet sous forme de blocs interconnectés.
  • Schéma cinématique : Montre les liaisons et les mouvements possibles entre les pièces d'un mécanisme.
  • Schéma électrique : Représente les connexions et les composants d'un circuit électrique.
• Règles de représentation : Utilisation de symboles normalisés, traits spécifiques (forts, fins, interrompus), respect des conventions pour la clarté.

Les dessins techniques sont des représentations précises et cotées des pièces et ensembles mécaniques.

• Vues en projection orthogonale : Permettent de représenter un objet en 2D sous différents angles (vue de face, de dessus, de gauche...). Chaque vue correspond à une projection de l'objet sur un plan perpendiculaire au regard.
• Cotation et tolérances :
  • Cotation : Indique les dimensions exactes (longueurs, diamètres, angles) nécessaires à la fabrication.
  • Tolérances : Précisent les variations acceptables par rapport à la dimension nominale. (Ex: $\pm 0,1$ mm). Elles sont cruciales pour l'assemblage et le bon fonctionnement.
• Lecture de plans techniques : Savoir interpréter les différentes vues, les cotes, les symboles de tolérance et les indications de matériaux pour comprendre la pièce.

L'informatique a révolutionné la conception des objets techniques.

• Logiciels de CAO (Conception Assistée par Ordinateur) : Permettent de modéliser des pièces et des assemblages en 3D (SolidWorks, Catia, Fusion 360). Ils facilitent la visualisation, la modification et la création de plans.
• Logiciels de simulation : Permettent de tester virtuellement le comportement d'un objet (résistance des matériaux, écoulement des fluides, performance thermique) avant même de le fabriquer. Cela réduit les coûts et les délais de développement.
• Maquettes numériques : C'est la représentation complète d'un produit en 3D, incluant toutes les informations (matériaux, tolérances, cinématique). Elles sont utilisées pour la conception, la fabrication et même la maintenance.