concevoir et réaliser des expériences de physique

Une description innovante et ingénieuse detravaux de recherche expérimentale

Cet ouvrage unique présente un grand nombre dematériels et matériaux courants, de systèmes de mesure,d’outillage et de techniques de confection permettantde réaliser des expériences dans un simple laboratoire dephysique de lycée, voire de collège.

Il s’adresse à toute l’équipe de recherche : l’étudiant, entant que chercheur, l’enseignant, en tant que directeur derecherche, les personnels de laboratoire… mais aussi toutlecteur curieux de physique abordée autrement.

Les clés pour créer des expériences

L’objectif de cet ouvrage est d’aider les scientifiquesdébutants à réaliser des expériences originales, du cadra-ge du sujet à la mesure, en passant par la conception et la confection. Plus de 600 photographies et schémasprécis et commentés permettent d’illustrer la démarcheà travers différentes conceptions d’expériences.

Publicsu Étudiants L1, L2, CPGE toutes filièresu Lycéens et débutantsu Techniciensu Personnel de laboratoireu Enseignants physique, SI, SVT

Une approche didactique de la physique

Grâce à une approche pédagogique claire et détaillée, les notions scientifiques et mathématiques utiles sontégalement présentées afin de pouvoir débuter danschaque domaine de la physique et la rendre accessible à des jeunes souhaitant élaborer un projet d’expérience.

L’auteur souhaite, à travers ce livre, habituer les apprentischercheurs à découvrir par eux-mêmes une infinité de sujetsd’étude à partir de phénomènes de la vie quotidienne.

L’auteur

François Petitet-Gosgnach, ancien élève de l’ÉcoleNormale Supérieure de Saint-Cloud (ENS Lyon), est professeur agrégé de Chaire Supérieure en CPGE au lycéeBlaise Pascal de Clermont-Ferrand.

Concevoir et réaliser des expériences de physique

Initiation à la rechercheApplication aux TIPE, TPE et MPS

Projets L1 et L2

F r a n ç o i s P e t i t e t - G o s g n a c h

Concevoir et réaliser des expériences de physiqueInitiation à la recherche - Application aux TIPE, TPE et MPS - Projets L1 et L2


a Plus de 600 photos et schémas en couleursa De nombreuses conceptions détailléesa Une approche innovante de la physique à la fois

expérimentale, technique et pratique

ISBN : 978-2-8041-7639-6

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Préface de Pierre Léna

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François Petitet-Gosgnach

Concevoir et réaliserdes expériences de physique


Projets L1 et L2


Avec la participation de Dominique Meier en électronique

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Pour toute information sur notre fonds et les nouveautés dans votre domaine de spécialisation,

consultez notre site web : www.deboeck.com

© De Boeck supérieur s.a., 2013Rue des Minimes, 39B-1000 Bruxelles

Maquette intérieure : PAO Patrick Leleux

Tous droits réservés pour tout pays.Il est interdit, sauf accord préalable et écrit de l’éditeur, de reproduire (notam-ment par photocopie) partiellement ou totalement le présent ouvrage, de le stoc-ker dans une banque de données ou de le communiquer au public, sous quelque forme et de quelque manière que ce soit.

Imprimé en BelgiqueDépôt légal :Bibliothèque nationale, Paris : avril 2013Bibliothèque royale de Belgique : 2013/0074/119ISBN : 978-2-8041-7639-6

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Sommaire

Préface ................................................................................................. XI

Avant-propos ..................................................................................... XIII

Mode d’emploi ................................................................................... XVI

Chapitre 1Introduction et cadrage du sujet .................................................... 1

1 Introduction .............................................................................. 2

2 Contraintes et spécifi cités du travail .......................................... 3

3 Qu’est-ce que créer une expérience ? ......................................... 3

4 Pour chercher et cadrer le sujet .................................................. 54.1 Les diff érentes étapes de la recherche ........................................ 5

4.2 Comment cadrer le sujet et se documenter ................................ 7

4.3 Comment exploiter et analyser un document scientifi que (ADS) ........................................................................................ 11

Chapitre 2Comment concevoir et réaliser ...................................................... 17

1 Le phénomène, ses équations maîtresses ................................... 18

2 Évaluer des ordres de grandeurs, comment dimensionner ......... 202.1 Une étape indispensable ............................................................ 20

2.2 Observation de systèmes existants ............................................. 20

2.3 Recherche dans des documents scientifi ques ............................. 21

2.4 Ordre de grandeur expérimental : « essai préliminaire » ............ 21

2.5 Exploitation des équations maîtresses en « ordre de grandeur » 22

2.6 Nombres adimensionnés............................................................ 24

2.7 Réduction d’échelle, maquettes (« similitudes ») ........................ 24

2.8 Dimensionnement par la confection.......................................... 25

3 Système de mesure .................................................................... 26

4 Le cahier des charges, fonctions, formes et liaisons, spécifi cité des matériaux ............................................................................ 28

4.1 Comment établir un cahier des charges ..................................... 28

4.2 Exemple du banc de traction ..................................................... 30

4.3 Spécifi cités des matériaux et des liaisons ................................... 32

5 La réalisation ............................................................................. 33

6 Protocole expérimental .............................................................. 35

7 Exploitation et présentation du travail....................................... 377.1 La fi nalité du travail .................................................................. 37

7.2 Le suivi du travail ...................................................................... 37

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VI


7.3 Confrontation des résultats à un modèle .................................. 38

7.4 Détermination des incertitudes ................................................. 40

7.5 Présentation du travail ............................................................... 42

Chapitre 3Comment produire et mesurer des grandeurs mécaniques ..... 45

1 Pour maîtriser les géométries, positions, épaisseurs, courbures, directions ................................................................................... 46

1.1 Mesure de dimensions (statique) du micromètre à 10 m ........... 46

1.2 Mesure de position (quasi-statique) .......................................... 48

1.3 Direction ................................................................................... 49

1.4 Mesure de courbure .................................................................. 50

2 Pour étudier des mouvements ................................................... 502.1 Système photodiode/laser .......................................................... 50

2.2 Potentiomètre rotatif ................................................................. 55

2.3 Mesures par induction ............................................................... 60

2.4 Acquisition d’images et vidéos .................................................. 64

3 Comment exercer et mesurer les forces .................................... 693.1 Utilisation d’une balance ............................................................. 70

3.2 Les dynamomètres .................................................................... 71

3.3 Système masse/corde/poulie ...................................................... 72

3.4 Comment exercer une torsion ................................................... 73

3.5 Comment décupler sa force ....................................................... 74

4 Comment guider en translation ................................................. 82

5 Comment faire vibrer et osciller ................................................ 845.1 Pour éviter de casser le système oscillant ..................................... 84

5.2 Pour utiliser un haut-parleur ..................................................... 85

5.3 Système à induction .................................................................. 86

5.4 Comment réaliser un plateau oscillant ....................................... 86

6 Pour comprendre la mécanique des mouvements ........................................................................ 88

6.1 Pour décrire le mouvement d’un point ...................................... 88

6.2 Qu’est-ce qu’une force ? ............................................................. 89

6.3 Le Principe Fondamental de la Dynamique (PFD), Th éorème du Centre d’Inertie (TCI) ......................................................... 91

6.4 Pour décrire une rotation ........................................................... 93

6.5 Comment donner de l’énergie mécanique ? ............................... 97

Chapitre 4Comment produire et mesurer des ondes ................................... 103

1 Qu’est-ce qu’une onde ? ............................................................. 104

2 Quelles sont les caractéristiques des ondes ? .............................. 105

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VII

Sommaire

2.1 La nature des ondes ................................................................... 105

2.2 Caractéristiques d’espace ........................................................... 105

2.3 Caractéristiques du temps ......................................................... 105

3 Mise en œuvre de quelques ondes ............................................. 1063.1 Onde de compression dans un ressort ....................................... 106

3.2 Onde dans un câble d’acier ........................................................ 107

3.3 Vibration d’un anneau ............................................................... 110

3.4 Onde acoustique aquatique ....................................................... 112

3.5 Ondes électromagnétiques centimétriques ................................ 114

3.6 Comment faire des vagues ......................................................... 114

Chapitre 5Mouvements de fl uides .................................................................... 117

1 Comment produire et mesurer des mouvements d’eau .............. 1181.1 Généralités et sécurité ............................................................... 118

1.2 L’écoulement de l’eau du réseau ................................................. 118

1.3 L’écoulement gravitaire .............................................................. 119

1.4 Les pompes à eau ...................................................................... 120

1.5 Conception et réalisation d’une circulation d’eau horizontale .... 127

2 Comment produire et mesurer des mouvements d’air ............... 1302.1 Systèmes de production ............................................................. 131

2.2 Systèmes de mesure ................................................................... 135

2.3 Conception et réalisation d’une souffl erie carénée ..................... 137

2.4 Conception et réalisation d’un caisson polyvalent .................... 139

3 Pour débuter en mécanique des fl uides ...................................... 1413.1 Qu’est-ce qu’un fl uide ? ............................................................. 141

3.2 Pour comprendre la mécanique des fl uides ................................ 142

3.3 Pour résumer et comparer les diff érents termes ........................ 153

3.4 Énergie, théorème de Bernoulli ................................................. 154

Chapitre 6Comment eff ectuer des expériences en thermodynamique ..... 157

1 Pour comprendre l’énergie ......................................................... 158

2 Comment mettre en œuvre l’agitation thermique ..................... 1592.1 L’agitation thermique par un système vibrant ............................ 160

2.2 Pour faire diff user des particules ................................................ 161

3 Comment mesurer la température ............................................. 1653.1 Th ermomètre à dilatation .......................................................... 165

3.2 Sondes Pt100 et thermocouples ................................................ 166

3.3 Pour mesurer une température de surface .................................. 168

4 Pour connaitre l’énergie interne, et mesurer la capacité calorifi que .... 173

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VIII


4.1 Défi nitions................................................................................. 173

4.2 Pour mesurer la capacité calorifi que d’un système ..................... 174

5 Comment faire « du chaud » et « du froid » ............................... 1755.1 Pour comprendre l’eau ............................................................... 176

5.2 Comment faire « du chaud » ..................................................... 176

5.3 Comment faire « du froid » ....................................................... 183

6 Comment faire des transferts thermiques .................................. 1916.1 Diff usion, convection, rayonnement .......................................... 191

6.2 Comment mettre en œuvre les transferts thermiques par diff usion .............................................................................. 192

6.3 Mesure de lambda par résistance ou conductance thermique ...... 194

6.4 Mesure de diff usivité, régime variable ......................................... 199

6.5 Comment mettre en œuvre les transferts thermiques par convection ........................................................................... 202

6.6 Le rayonnement ........................................................................ 206

7 Comment mettre en œuvre des échangeurs thermiques ............ 2087.1 Le principe des échangeurs ....................................................... 208

7.2 Pour fabriquer un échangeur double-fl ux inversé bas débit ....... 209

7.3 Pour fabriquer une VMC double-fl ux croisés haut débit ........... 210

Chapitre 7Exploitation des signaux électriques ............................................. 213

1 Pour comprendre l’électronique ................................................. 2141.1 Les potentiels et les courants ..................................................... 214

1.2 Pourquoi traiter les tensions ? .................................................... 215

1.3 Opérations de base en électronique ........................................... 216

2. Comment mettre en œuvre les traitements électroniques .......... 2212.1 Faire des essais avant… .............................................................. 221

2.2 Comment amplifi er un signal .................................................... 222

2.3 Filtrage ...................................................................................... 224

3 Mise en œuvre d’un capteur et transmission des données ......... 2273.1 Exemple d’un capteur, l’accéléromètre ....................................... 227

3.2 Émetteur/récepteur ................................................................... 228

Chapitre 8Les matériaux et leur mise en œuvre ............................................ 231

1. Généralités sur les matériaux ..................................................... 232

2 Bois et dérivés ............................................................................ 2332.1 La structure du bois ................................................................... 233

2.2 Pour débuter en résistance des matériaux (RDM) ..................... 237

2.3 Travail en traction/compression................................................. 237

2.4 Cisaillement, dureté ................................................................... 240

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IX

Sommaire

2.5 Flexion et fl ambement ............................................................... 241

2.6 Règle de base pour utiliser le bois en structure .......................... 243

3 Béton, mortier, ciment ............................................................... 2443.1 Présentation ............................................................................... 244

3.2 Propriétés .................................................................................. 245

3.3 Mise en œuvre et utilisation en laboratoire ................................ 247

4 Le verre, et son utilisation .......................................................... 2484.1 Propriétés .................................................................................. 248

4.2 Découpe et perçage du verre ...................................................... 249

4.3 Collage d’une cuve en verre ....................................................... 250

5 Le sable ..................................................................................... 2535.1 La granulométrie et son utilisation ............................................ 253

5.2 Les forces dans le sable .............................................................. 253

6 Les matières plastiques .............................................................. 2556.1 Les plastiques ............................................................................ 255

6.2 Polystyrène ................................................................................ 256

6.3 Le PVC ..................................................................................... 258

7 Métaux ...................................................................................... 259

8 Autres matériaux ....................................................................... 261

9 Systèmes d’assemblage .............................................................. 2619.1 Par serrage ................................................................................. 261

9.2 Clouage, vissage, boulonnage ..................................................... 263

9.3 Collages ..................................................................................... 265

Chapitre 9Outillage minimal et utilisation .................................................... 269

1 Principes physiques des machines.............................................. 270

2 Perceuse, perceuse à colonne et accessoires ................................ 271

3 Meuleuse d’angle, disqueuse, ou tronçonneuse à matériaux ...... 274

4 Touret à meuler ........................................................................ 276

5 Scie à onglet et scie sur table ..................................................... 278

6 Scie sauteuse .............................................................................. 279

7 Ponceuse à bande ....................................................................... 280

Chapitre 10Lexique physique et outils mathématiques ................................. 281

1 Pour décrire un système ............................................................. 2821.1 Notation .................................................................................... 282

1.2 Le système ................................................................................. 282

1.3 L’extérieur (d’un système) .......................................................... 282

1.4 Grandeur ................................................................................... 282

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X


1.5 Extensif et intensif .................................................................... 282

1.6 Grandeurs conjuguées ............................................................... 283

1.7 Variation d’une grandeur � (delta) ........................................... 283

1.8 Reçu et donné, échangé ............................................................. 283

1.9 Système ouvert et fermé ............................................................ 283

1.10 Isolé ........................................................................................... 283

1.11 Équilibre .................................................................................... 283

2 Pour décrire les variations au cours du temps ............................ 2842.1 Le temps.................................................................................... 284

2.2 Fonction du temps, grandeur variable ........................................ 284

2.3 Variation instantanée, dérivée (du temps) .................................. 284

2.4 Stationnaire, permanent ............................................................ 285

2.5 Harmonique, sinusoïdal ............................................................. 285

2.6 Oscillateur harmonique ............................................................. 286

2.7 Spectre d’une grandeur G(t) ...................................................... 287

2.8 Exponentielle, stable, instable .................................................... 287

2.9 Équation diff érentielle ............................................................... 288

2.10 Équation diff érentielle du premier ordre ................................... 288

2.11 Généralisation mathématique.................................................... 289

3 Pour décrire l’(es) espace(s) ........................................................ 2893.1 L’espace ..................................................................................... 289

3.2 Isotrope .................................................................................... 290

3.3 Repère, paramétrage en espace ................................................. 290

3.4 Vecteur ..................................................................................... 290

3.5 Fonction de l’espace, grandeur de l’espace ................................. 291

3.6 Réduction de dimensions ......................................................... 291

3.7 Uniforme .................................................................................. 292

3.8 Gradient .................................................................................... 292

3.9 Champ ...................................................................................... 292

3.10 Grandeur volumique, surfacique, linéique ................................. 293

3.11 Intégration d’espace ................................................................... 293

Bibliographie ..................................................................................... 295

Index des travaux .............................................................................. 297

Index alphabétique ........................................................................... 301

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XI

Préface

Voici un merveilleux ouvrage qui fera aimer la physique et qui, par elle, fera dé-couvrir la science, ses méthodes, sa beauté et sa puissance.

La physique est parfois une discipline mal aimée. Autant il est aisé de faire vi-brer le grand public par quelque annonce sensationnelle de découvertes sur le boson de Higgs ou le trou noir de notre Galaxie, obtenues avec des instruments aussi gigantesques qu’incompréhensibles, autant le chemin, souvent exigeant, qui conduit vers la physique est souvent craint des élèves, voire des professeurs. On s’orienterait alors vers une sorte de physique de salon, faite d’un discours qualitatif et superfi ciel sur des thèmes de la vie quotidienne ou des scoops médiatiques cen-sés passionner les élèves. On négligerait alors le cœur même de cette science, qui en fait la beauté. Car, par l’expérience et le raisonnement et sans jamais toucher au but ultime, elle révèle les lois de la nature, ces mystérieuses régularités qui font que le monde est compréhensible à notre intelligence, comme l’énonce admira-blement Roland Omnès dans un récent ouvrage1.

Lorsqu’à partir des années 1970, l’Éducation nationale2 réalisa, sous l’impulsion de physiciens exceptionnels - André Lagarrigue, Pierre Bergé, Pierre-Gilles de Gennes, Georges Charpak, Etienne Guyon pour n’en citer que quelques-uns - qu’il lui fallait transformer en profondeur l’enseignement scientifi que, tant en classes préparatoires qu’au lycée3, se mirent en place respectivement les Travaux d’initiative personnelle encadrés (TIPE), puis les travaux personnels encadrés (TPE). Le cadre des TPE dépasse d’ailleurs celui des sciences et vise à une heu-reuse interdisciplinarité, introduisant les élèves, rendus actifs, à cette pensée du complexe indispensable à la compréhension du monde d’aujourd’hui. Nos uni-versités, confrontées au désamour des études de physique, ont lentement suivi, introduisant dès la licence une indispensable initiation à la recherche par la pra-tique expérimentale, sous l’impulsion de subtils physiciens tels que Jean Matricon ou Yves Couder (Paris Diderot).

Cet ouvrage propose aux professeurs et aux élèves plus de soixante thèmes de TIPE en physique expérimentale, que je lis aussi comme des chemins pouvant être empruntés, plus modestement, dès le collège ou le lycée, à la manière d’une course en haute montagne qui débute par des marches d’entraînement ou de reconnaissance à moyenne altitude, sans quitter des yeux les sommets désirés. Chaque chapitre est un petit bijou. Il marie avec clarté les trois facteurs qui font le propre de la physique : le concept proprement physique et abstrait (onde, chaleur, interaction) ; l’indispensable et rigoureuse formulation mathématique qui fait la puissance de la physique par la mesure, le surgissement des lois, la prédiction des phénomènes ; le rude aff rontement à la réalité par l’expérience construite

1. Roland Omnès, La révélation des lois de la nature, O Jacob, Paris, 2008.2. Il faut citer ici de grands inspecteurs généraux de l’Éducation nationale, tels les physiciens Georges Guinier, Hubert Gié, Jean-Pierre Sarmant, Claude Boichot et quelques autres, qui mesurèrent l’inadaptation de notre enseignement de la physique à ses divers niveaux et furent de tenaces réformateurs.3. Enseignement intégré de science et technologie en 6e et 5e (EIST). Voir www.fondation–lamap.org.

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XII


avec les moyens du bord, plus ou moins riches. Ici, comme dans un laboratoire de recherche, physique, mathématique et technologie se conjuguent étroitement. Seule, peut-être, manque la dimension historique… L’élève est ainsi introduit à une créativité empreinte de rigueur, qui en fera un esprit inventif et exigeant, cultivant tout autant l’indispensable habileté de la main que la labilité de la pen-sée. Si l’informatique est bien présente dans la saisie ou la visualisation des don-nées expérimentales, les charmes de la simulation sont pratiquement écartés au profi t…de la perceuse ou de la scie à onglet d’une part, d’un traitement analytique des lois et des mesures de l’autre. Vive La main à la pâte !Chaque expérimentation présentée est soigneusement détaillée par l’auteur, mais elle est aussi signée du nom des jeunes lycéens et lycéennes qui l’ont réalisée en TIPE au Lycée Blaise Pascal et présentée au concours ; les photos et schémas sont souvent les leurs, sans doute bien des idées également. Leur ingéniosité ne recula devant aucune situation, fi t appel à des pulvérisateurs de jardin, du contrepla-qué ou du PVC, des webcams ou des pompes d’aquarium. Le champ couvert est celui de la physique classique, telle qu’elle fi gure dans les programmes actuels. Les domaines de l’optique et de l’astrophysique, riches pourtant en sujets possibles, ne sont pas abordés, sans doute parce que d’autres auteurs les ont déjà traités1.Comment ne pas s’interroger ici sur la possibilité de suivre une démarche ana-logue, qui introduise à ces autres champs de la physique, extraordinairement féconds, que le XXe siècle a révélés : physique quantique et relativité ? Disons d’abord que les étapes classiques présentées ici sont absolument indispensables avant d’aller plus avant, car elles font émerger le raisonnement physique à partir d’une confrontation aux phénomènes les plus directement perceptibles à notre échelle. Les équations maîtresses, pour reprendre les termes de l’auteur, fi gurant dans l’ouvrage font rarement intervenir la constante de Planck h, qui régit le monde quantique, les vitesses et énergies rencontrées demeurent petites compa-rées à c ou à une énergie de masse. Viendra un jour où les programmes en classe préparatoire feront la place à ces notions, que cette physique, tout de même vieille d’un siècle, a déjà en licence. Ce jour-là, je suis certain que l’ingéniosité des étu-diants et la clarté d’esprit de l’auteur sauront concevoir de nouveaux thèmes pour les explorer.Nul doute que François Petitet-Gosgnach, par ce travail d’une grande qualité linguistique, graphique et pédagogique, ait ouvert un chemin qu’exploiteront ses collègues, professeurs en collège aussi bien qu’en classes préparatoires, comme beaucoup d’élèves qui y puiseront méthodes et idées au bénéfi ce de leur projet. Demain la physique2 est le titre d’un ouvrage qui dessine les chantiers ouverts aux physiciens du XXIe siècle, comme d’ailleurs aux ingénieurs qui susciteront ou utiliseront leurs découvertes. Concevoir et réaliser des expériences de physique sème avec bonheur des graines de physiciens pour la physique de demain. Que l’auteur en soit chaleureusement remercié !

Professeur Pierre Léna

Membre de l›Académie des sciences

Professeur émérite, Université Paris Diderot

1. Par exemple Sylvain Houard, Optique, une approche expérimentale et pratique, De Boeck, 2011. L’auteur enseigne également en classes préparatoires.2. Sébastien Balibar, Edouard Brézin (dir.), Demain la physique, 2e éd., O Jacob, Paris, 2011.

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XIII

Avant-propos

Ce document vise à décrire un travail de recherche expérimentale qui pourrait être mené du niveau lycée à post-bac. Un tel travail engage une équipe dont les compétences s’étendent de la confection à l’encadrement.Ce livre s’adresse donc à toute l’équipe de recherche : l’étudiant/élève (dans le rôle du chercheur), les techniciens et personnels de laboratoire, et les enseignants (dans le rôle du directeur de recherche). Il est rédigé de telle sorte qu’il puisse être lu par un jeune qui souhaite éla-borer un projet d’expérience, et par ceux qui l’encadrent, quel que soit le domaine scientifique. Le vocabulaire, et les notions techniques spécifiques sont expliqués. Celui « très débutant » (collégien) qui souhaite simplement monter par lui-même des expériences et faire des mesures sans exploiter de techniques mathématiques, peut se contenter de feuilleter et de regarder les expériences présentées au fil des pages pour voir ce qu’il est possible de faire, et se lancer.

Pour les étudiants post-bac Le livre présente le matériel, les techniques de mise en œuvre et de mesures par domaine ; à chaque fois, des éléments théoriques du domaine sont présentés, ce qui permet d’aborder le domaine, même si vous ne l’avez pas encore traité en cours. Ils ne dispenseront pas d’une recherche documentaire approfondie à travers des ouvrages spécialisés. Cette recherche permettra la confrontation des résultats à un modèle.Les notes de bas de page précisent parfois des points théoriques un peu plus « pointus ».

Pour les lycéens et débutants Le vocabulaire donné est le vrai vocabulaire du domaine concerné et fournit donc les mots clés permettant de se renseigner dans des documents scientifi ques. Des explications théoriques des lois physiques fondamentales vous sont également adressées. Elles nécessitent très peu de connaissances mathématiques initiales, et permettent de débuter dans chaque domaine. Les notions mathématiques utiles sont détaillées dans le « lexique physiques et outils mathématiques » (Chapitre 10). Vous pouvez également vous contenter de consulter les pages de présentation du matériel et les éléments d’expériences présentés pour faire un travail d’observation et de découverte expérimentale pures sans passer à la confrontation des résultats avec une modélisation mathématique.

Objectifs de l’ouvrageLes laboratoires de recherche font appels à une technologie tellement sophis-tiquée que l’on peut croire que la démarche de recherche n’est accessible qu’à des initiés. Dans les faits, tout le monde peut s’investir dans un projet de recherche expérimentale à son échelle, à faibles moyens, tout en pratiquant une véritable démarche scientifi que, voire de recherche, dont le point de dé-

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XIV


part en connaissances théoriques peut être très faible. Il ne s’agit donc pas de donner une liste d’expériences « clés en main », mais d’expliquer les moyens et méthodes nécessaires à la conception d’expériences dans des domaines aussi variés que la mécanique, les ondes, la thermodynamique, les fl uides, les maté-riaux et ce sur la base de produits et matériels du quotidien et issus de la grande distribution.Il est tout-à-fait possible d’eff ectuer un travail personnel de qualité par des études de documents ou des simulations informatiques. L’objectif de cet ou-vrage est uniquement d’aider les scientifi ques débutants à réaliser des expé-riences originales, du cadrage du sujet à la mesure, en passant par la conception et la confection. Vous trouverez quelques éléments sur l’exploitation des résul-tats et la confrontation aux modèles, mais ils dépendent du niveau théorique de l’expérimentateur.

Dans le contenu, cet ouvrage peut également constituer une manière de débuter en physique et d’aborder l’étude des lois de la Nature sur une base très expéri-mentale, puisqu’il contient en défi nitive une présentation originale et illustrée de la physique.

Origine de ce travailL’initiative qui a été prise d’introduire les TIPE (Travaux d’Initiative Person-nelle Encadrés) en 1995, puis des TPE au lycée, encourage le travail personnel des jeunes lycéens et des étudiants en CPGE encadrés par un professionnel (le professeur).Le travail présenté dans cet ouvrage est le fruit de l’exercice d’encadrement d’étu-diants en CPGE 2e année depuis 2003 ; il est également fruit d’une passion des lois de la Nature que l’on peut mettre en pratique au cours de divers travaux du quotidien. L’ensemble des travaux et éléments de travaux présentés dans cet ouvrage sont issus de TIPE que l’auteur a encadrés et dirigés.Le moteur a été de former les jeunes à concevoir et réaliser des expériences. Il s’agit de leur faire découvrir la matière – les matériaux et leurs techniques – et des chemins que nous pensons inexplorés dans la démarche et l’expérimenta-tion. La plupart des expériences menées avaient donc comme impératif d’être originales.Il s’agit de s’engager dans une véritable démarche scientifi que d’exploration et d’investigation, d’ouvrir les yeux sur des sciences de manière non académique et de développer l’esprit d’initiative avec les risques de ses incertitudes.

La perspective d’une épreuve évaluée aux concours pousse à fournir un travail de qualité jugé par un jury indépendant. Il est encouragé indirectement par les jurys. Un même travail peu d’ailleurs être jugé bon pour un étudiant et moyen pour un autre étudiant du même groupe, peu importe ; et puisque c’est, d’ail-leurs, la présentation du travail qui est jugée et non le travail lui-même : à charge de l’étudiant de bien présenter son travail (quelques conseils seront formulés). La réussite aux concours est un passage, l’objectif principal est la formation de nos futurs scientifi ques, en leur exerçant l’œil, leur capacité d’observation et d’analyse ; apprendre à prendre l’initiative sur un travail personnel, apprendre à mettre en œuvre, « faire » et « aimer faire » en somme, et ce, quels que soient le niveau et les moyens.

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Avant-propos

Pour chaque expérience menée, le prérequis a été que l’étudiant ne connaisse pas la théorie de ce qu’il veut étudier, ni les moyens techniques d’un labora-toire, que ce soit en confection ou système de mesures. L’intérêt est justement qu’il s’investisse dans un domaine au moins partiellement hors programme de la classe, et ne présentant donc a priori aucune expérience « classique de TP ». La plus-value et l’enjeu sont là : créer une expérience originale à l’échelle d’un laboratoire, en l’occurrence celui d’un lycée, voire d’un collège. Débutant, le jeune ne peut donc a priori proposer aucune expérience à la complexité scien-tifi que nécessaire. Le rôle de l’encadrement est alors d’accompagner dans les idées, tout en essayant d’aider à établir des ordres de grandeurs, un cahier des charges, un choix des matériaux et d’un système de mesures, de manière à mettre en évidence le phénomène choisi. Il n’est pas nécessaire de maîtriser le domaine choisi par l’élève, et même bien au contraire, car il s’agit d’apporter simplement un regard critique scientifi que et une compétence technique pour la réalisation. Ceci est d’autant plus réalisable que les matériaux et matériels grands publics proposés sont, au XXIe siècle, d’une très grande diversité de nature et de fonction.

Par une étude simple et accessible de petits morceaux de la Nature, une consé-quence, et peut-être un enjeu, pourraient être d’habituer les jeunes à découvrir par eux-mêmes une infi nité de sujets de recherche à partir de phénomènes de la vie quotidienne ; et ce, en exerçant simplement leur œil à observer et regarder pour découvrir.

Mode d’emploi

Ce document présente la démarche de cadrage et de recherche d’un sujet d’étude. Il s’en suit une partie d’aide à la conception dans le contexte d’un laboratoire standard de physique.Une large partie du livre est consacrée à la mise en œuvre et la mesure des gran-deurs les plus courantes ; à l ’occasion, les grandeurs physiques sont présentées.Une partie très pratique, qui peut s’adresser à tous, concernant les propriétés des matériaux, l’assemblage des plus utiles ainsi que l’outillage nécessaire.L’ensemble fait référence à une soixantaine de conceptions illustrées par des pho-tographies et des schémas.Des explications sur certaines notions scientifi ques sont faites pour un niveau de débutant et peuvent intéresser des lecteurs dans le cadre d’une autoforma-tion. Des notes de bas de pages donnent des précisions pour des lecteurs plus experts, ou peuvent donner des pistes aux lycéens pour aller plus loin s’ils le souhaitent.Des idées d’applications en Science et Vie de la Terre (S.V.T.) et dans le monde du bâtiment sont disséminées dans chaque chapitre.

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Je vous conseille de feuilleter l’ouvrage dans un premier temps, en regardant les clichés afi n de voir ce qu’il est possible de faire. Les légendes des clichés indiquent le nom du travail concerné (par exemple TIPE Echangeur tubu-laire) ; en fi n d’ouvrage, un index alphabétique des travaux permet de renvoyer aux diff érentes pages liées à ce travail.

Ce livre peut être pris dans n’importe quel sens, outils d’abord, ou matériaux, ou lecture dans l’ordre des pages.

Lorsque vous avez jeté votre dévolu sur l’étude d’un domaine (mécanique, ondes, fl uide, thermodynamique, matériaux), commencer par lire le mode d’emploi du chapitre.

Des paragraphes « pour mieux comprendre... » ou « pour débuter en ... » vous permettent d’acquérir des bases dans le domaine correspondant.

Si vous êtes réfractaire « aux équations », lisez les simplement et passez à la suite.

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CChapitre hapitre 11Introduction et cadrage du sujetIntroduction et cadrage du sujet

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Voici une liste possible, non exhaustive, des éléments que l’on peut assembler pour construire une expérience :

Ø lois physiques :• thermodynamique, optique, électromagnétique,• ondes, vibrations, mécanique du solide et du point, etc.

Ø conditions physiques-mathématiques :• stationnaire, instationnaire, uniforme ou pas, isotrope ou anisotrope,

géométrie : 1, 2 ou 3D, avec ou sans effet de bord, cylindrique (pleine ou creuse), sphérique, etc.

• linéarisation, diverses approximations,• traitement statistique ;

Ø techniques de mesure :• optique, température, électrique, • déplacement, mouvement, géométrie, force, etc. ;


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Chapitre 1 Introduction et cadrage du sujet

L’idée initiale de l’exemple est très vaste et peut conduire à beaucoup d’autres sujets d’étude. Il est important de noter toutes les pistes au moment où elles se présentent sur un indispensable « cahier de manip ». Tout doit être noté séance par séance, idée par idée.Revenons au cheminement d’une idée initiale. L’exemple qui suit, contrairement à l’exemple précédent, part plutôt d’une idée restrictive, mais elle peut au contraire s’étendre si on se laisse aller un peu. Le « billard » a été proposé deux années succes-sives, dans le cadre de deux thèmes différents conduisant à des expériences totale-ment différentes, aussi bien dans la mise en œuvre que dans les systèmes de mesure.

TIPE - BillardLe tapis de billard a été collé sur un marbre conformément à la méthode pratiquée sur un véritable billard. C’est au cours du col-lage que la tentation a été forte d’étudier l’élasticité du tapis certaine-ment sollicité à l’impact, et son anisotropie de frottement ; quelques mesures ont été effectuées sur ce sujet. Mais le groupe souhaitait plutôt simuler un impact pour essayer de contrôler les effets impli-qués à la boule selon la force et le point d’impact. Pour ce, un bélier a été conçu et mis en œuvre pour appliquer une percussion à la boule. Le mouvement a été étudié par une vidéo rapide.

TIPE - ArbalèteAvec la même idée de départ, le chemin menant à l’étude de mouvement rapide avait pour but de tester une limite supérieure de vitesses mécaniques accessibles en labora-toire. Toutes les précautions de sécurité ont été prises en particulier pour se protéger des rebonds. Auparavant, une étude de la fl exion des branches avait permis d’évaluer une vitesse de fl èche d’environ 50 m/s. La mesure par un pen-dule balistique avait réservé des surprises au cours de la mise en œuvre.


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4.2 Exemple du banc de traction

4.2.1 Cahier des chargesDans le cas du banc de traction, le cahier des charges est le suivant :

Ø point 1 : structure (bâti) de traction à 1 tonne en milieu couvert (laboratoire) ;

Ø point 2 : système de traction ; Ø point 3 : système global d’accroche ; Ø point 4 : système d’accroche pour éprouvette d’essai ; Ø point 5 : possibilité de fi xer rapidement des accessoires ; Ø point 6 : système de mesure adapté à une mesure directe (instrument) ou

indirecte (application d’une loi : de pression× surface, poids d’une masse et démultiplication de la force, ou autre) ;

Ø point 7 : sécurisation de l’expérimentateur (protection en cas de rupture).

4.2.2 Solutions

Point 2Solution A2 : vérin de levage 2 tonnes + système à bras de levier.Avantages : pas cher, compacité, force continue, mesure possible par manomètre ;Inconvénients : système robuste à bras de levier à créer, non chiffré.

Solution B2 : treuil 1 tonne (« tir fort ») (voir le chapitre 3, Comment décupler sa force page 74).


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Chapitre 2 Comment concevoir et réaliser

Avantages : pas cher, traction directe, accroche globale incluse (répond au point 3) ;Inconvénients : force par cran (« discret » et non continu), un accessoire par sangle est envisageable afi n de bloquer entre deux crans ; encombrant dans une des dimensions (câble).

La solution B2 est adoptée ; point 1,2 et 3 répondus. Reste à voir le support. Point 6Un peson à 600 kg (précision 500 g), travail en traction (lié à la solution B2) ; et un système de démultiplication à poulie manufacturé éventuel permet d’at-teindre la valeur (ci-contre). Sécurité : énergie stockée à la traction à évaluer (force × allongement), qui serait libérée en cas de rupture. Point 1 : bâti, structure Solution A1 : accroche sur tige fi letée par scellement chimique dans les murs ; Créer deux points de trac-tion par des scellements chimiques dans un mur : une tige fi letée de 10 mm a une résistance au cisaillement de 800 kg, il suffi t d’en mettre deux en parallèle, ou de passer à 12 mm. En théorie, rien n’empêche cette solution avec des murs en bloc béton (l’idéal étant du béton banché). Le système araserait alors le mur ce qui va poser un problème d’alignement du peson qui est volumineux ; donc ajouter une potence ou une pièce d’appui. Avantages : pas cher, rapidité de mise en œuvre. Inconvénients : par la potence, le scellement travaillera alors à l’arrachement, mais le bloc béton risque alors de poser problème si le scellement a lieu dans une partie creuse.

Solution B2 : montage d’une structure en bois ; sec-tions à calculer.Avantage : structure indépendante des murs, accroche rapide d’accessoires par vissage ou boulonnage (point 5) ; possibilité d’accroche simple n’importe où par tire-fond ou même sur une paillasse (bonus pour le « client »).

Solution B2 adoptée. Point 4Accroche d’éprouvette par serrage : plaque d’acier 5mm d’épaisseur + boulon 8 mm, per-çage simple 11 mm pour accroche par manille manufacturée, patins de caoutchouc à essayer. Point 7Plaque de polycarbonate pliée, accroche par équerre simple et sangle de sécurité.

Des détails de montage et confection sont donnés dans le chapitre 8 matériaux, bois : TIPE Banc de traction, page 239.


45

CChapitre hapitre 33Comment produire et mesurer Comment produire et mesurer

des grandeurs mécaniquesdes grandeurs mécaniques


76


On trouve dans le commerce des poulies et systèmes d’accroche (la poulie du cliché est à roulement à bille et est donnée à 250 kg), mais aussi des câbles et systèmes d’accroche. Ce câble en acier tressé de 2 mm est donné à 300 kg, un câble de 5 mm a une résistance à la rupture en traction de 2 tonnes.

On trouve des systèmes de démultiplication dans cer-tains arcs (compount) utilisant des poulies à double gorges décentrées. Les poulies décentrées permettent un effet de bras de levier dans certaines positions (« le mur »). La démultiplication de cet arc provoque une multiplication par trois de sa puissance (chiffrée en lbs).

3.5.3 Treuil, mise en œuvre d’une traction et mesure par peson

Description et principeOn trouve facilement des treuils « 1 tonne » (10 000 N) ou « 2 tonnes ».Ci-contre, ce modèle 1 tonne est consti-tué d’un manche agissant comme un bras de levier sur un barillet, sur lequel s’en-roule un câble en acier tressé de 5 mm. Le diamètre de l’enroulement est d’envi-ron 40 mm, le bras est d’environ 40 cm. Un déplacement à l’extrémité du bras de 10 cm enroule donc le câble d’1 cm, par transmission du travail, cela correspond à une multiplication de la force par 10. A cela se rajoute l’effet de la poulie qui elle multiplie par deux. Une action de l’opé-rateur (Fop) de 50 kg provoquera donc une force de 10 000 N (1 tonne).

Je vous déconseille d’atteindre les limites du système, même si les constructeurs sur-dimensionnent toujours la mécanique.

Un système de « croc » permet d’actionner sur le barillet qui enroule le câble tressé de 5 mm de diamètre. L’action se fait sur une vingtaine de dents solidaires du barillet. Un système de cliquets verrouille le barillet dans la position ; l’action ne peut être continue, sauf à installer un système qui maintient le bras en effort.

Les principes de transmission et de démultiplication sont détaillés en termes de forces sur le schéma ci-après.


77

Chapitre 3 Comment produire et mesurer des grandeurs mécaniques

L’inconvénient de ce système, dont la source de force est l’action de l’opérateur, est qu’il ne permet pas d’accéder à la force exercée par le treuil. Pour mesurer cette force, on peut lier en série un peson. PesonOn trouve facilement des pesons de toutes capacités inférieures à 250 kg qui peuvent travailler soit en traction, soit en compression. Pour une capacité supé-rieure, il a fallu chercher dans du matériel pour haras servant à la pesée des che-vaux. Sa capacité maximale est de 600 kg (environ 6 000 N) avec une précision de 500 g, pour un travail en traction. L’utilisation est très simple, pas nécessaire-ment verticale. Ici la traction se fera dans l’alignement du treuil. Le peson est prévu avec un anneau supérieur d’accroche et un crochet de traction pour la mesure. Ci-contre, l ’affi chage indique 379 kg. Comment mettre en œuvre la traction Revenons sur un point particulier du montage : la fi xation sur le bâti.Il faut bien prendre conscience que la fi xation du bâti devra encaisser l’action totale du treuil, soit une tonne au maximum ; dans la mise en œuvre qui a été faite en TIPE, nous n’avons pas excédé 450 kg. Mais à cette force, il est hors de question de fi xer l’extrémité du treuil à un plafond : cela provoquerait à coup sûr l’arrache-ment de la fi xation (une partie du hourdis béton de la fi xation). Il est préférable de travailler en cisaillement sur une fi xation chimique dans un mur en bloc béton ou brique porteuse. Un inconvénient le cette dernière éventualité est l’encombrement du treuil et du système de mesure qui obligerait à décoller l’accroche du mur et engendrerait à nouveau un travail de la fi xation en arrachement. Voilà pourquoi il a été établi le cahier des charges (voir « Conception, cahier des charges » page 30), dont la solution (compatible avec l’ensemble des contraintes, et celle supplémentaire du volume du peson) a été de monter une structure en bois indépendante.

La dimension totale est de :190 cm × 60 cm.Les montants verticaux ont une section de :15 cm × 6,5 cm.Les traverses horizontales ont une section de : 10 cm × 5,5 cm.

De nombreux sys-tèmes d’accroche très robustes existent dans le commerce.


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Pour visualiser les ondesIl est possible très simplement de visualiser, en les animant au cours du temps, les différents types d’ondes à l’aide d’un logiciel de calcul formel tel que Maple®.Il suffi t de taper les lignes qui suivent. On peut alors faire varier les différents para-mètres et les adapter à la confi guration de l’expérience :>restart;>with(plots);>omega:=2*Pi;>vitesse:=1;>ondeprogressive:=(x,t)->cos(omega*(t-x/vitesse));>animate(ondeprogressive(x,t),x=0..4,t=0..1,numpoints=100,frames=100);>ondestationnaire:=(x,t)->cos(omega*t)*cos(omega*x/vitesse);>animate(ondestationnaire(x,t),x=0..4,t=0..1,numpoints=100,frames=100);>delta:=1;>ondeevanescente:=(x,t)->exp(-x/delta)*cos(omega*(t-x/vitesse));>animate(ondeevanescente(x,t),x=0..4,t=0..1,numpoints = 100, frames = 100) ;

3.4 Onde acoustique aquatique

3.4.1 Mise en œuvre dans l’eauLes ondes acoustiques sont dues à une compression locale du fl uide qui pro-voque un déplacement d’une tranche d’air ; elle comprime alors la tranche d’air suivante provoquant un gradient de pression qui accélère la tranche d’air voisine etc.L’onde est longitudinale et concerne les grandeurs « pression » et « vitesse » d’une tranche de fl uide.

Le matériel acoustique à ultrasons est courant en laboratoire. La fréquence d’émission est de 40 kHz, et ne provoque donc pas de gêne chez l’expérimentateur (le domaine audible de fréquence s’étend au maximum de 20 Hz à 20 kHz).

Pourquoi ne pas essayer de l’adapter à de l’acoustique sous-marine ?

Un émetteur et un récepteur ont d’abord été connectés par deux sou-dures chacun à des fi ls de branchement (au géné-rateur basse fréquence). La grille de protection que l’on aperçoit sur le cliché a été découpée, puis ils ont été noyés dans du silicone, et dans le même temps scellés dans deux morceaux de tube PVC (afi n d’éviter toute fuite due à une reprise de collage). À notre grande surprise, cela n’a pas altéré leur fonctionnement et a permis de les utiliser dans l’eau.

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CChapitre hapitre 55Mouvements de fl uidesMouvements de fl uides


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1 : aquarium 80 cm × 35 cm × 40 cm (hauteur), avec une hauteur d’eau, H, d’environ 20 cm.2 : paroi en béton armé (60 cm de long, 25 cm de hauteur, 6 cm d’épais-seur pour respecter les règles du ferraillage, voir « béton » page 241) avec une feuille de polystyrène (3 mm d’épaisseur, type sous-face de parquet fl ottant) collée dessous pour éviter de casser le verre du fond de l’aquarium.3 : pompe 5 000 L/h.4 : tuyau souple de refoulement de manière à éloigner aspiration et refoule-ment et minimiser les turbulences au voisinage de la pompe.5 : pièce d’angle en béton pour « arrondir » l’écoulement et minimiser les tur-bulences dans les angles6 : pige fi letée de 8 mm pour accroche.7 : tube carré pour accroche.8 : zone de travail de largeur L1 dans laquelle l’eau circule à la vitesse moyenne v1 ; du côté de la pompe de largeur L2 et de vitesse v2 ; par conservation du débit d’eau on a H × L1 × v1 = H × L2 × v2, et ce avec L1 + L2 + 6 cm = 35 cm ; on peut donc augmenter v1 en diminuant L1.

Remarque : un aquarium doit toujours être posé sur une plaque de polystyrène d’environ 1cm d’épaisseur, qui, par une légère compression, permet une réparti-tion uniforme de la charge due à l’eau, et donc évite les points de contact entre le verre et le support qui briseraient le fond en verre.


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Chapitre 5 Mouvements de fluides

1.5.4 RéalisationLa paroi en béton est coulée dans un coff rage sommaire mais robuste. Les extrémités du coff rage sont constituées deux demi-tubes en PVC maintenus par des sangles de serrage (voir « béton »). Il ne faut pas sous évaluer la pres-sion au pied du coff rage qui avoisine les 700 kg par m2 et mettre le nombre de serre-joints en conséquence. Le coff rage est simplement posé sur une planche. L’étanchéité se fait par le béton lui-même à condition de ne pas le faire trop liquide. Un hydrofuge à base de latex a été mélangé à l’eau de gâchage du béton puisque la paroi sera utilisée en situation immergée. Un ferraillage par un treillis soudé constitué de fer de 6 mm est placé au milieu du béton afi n d’éviter toute fi ssu-ration en cas de choc au cours des manipulations. Le tube carré pour accroche et la tige fi letée sont posés après le coulage et maintenus par des pinces pen-dant le temps de prise.

Toujours frapper légèrement le coff rage à l ’aide d’un marteau pour « vibrer » le béton afi n de chasser les bulles d’air.

Après une semaine le béton est décof-fré pour une utilisation 3 semaines après (fi n de la prise défi nitive). Une feuille de polystyrène de 3 mm (type sous-face de parquet fl ottant) a été collée sous la paroi pour éviter de cas-ser le fond de l’aquarium.

Après plusieurs essais d’écoulement, il a été jugé utile d’ajouter un tuyau en sortie de pompe. Plusieurs longueurs ont été testées avant un choix défi nitif qui semble minimiser les turbulences. L’écoulement a été observé en ajoutant du sable fi n à l’eau pour voir le mouvement de particules dans l’écoulement.


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La notion de pression peut s’étendre tout natu-rellement à n’importe quelle force normale entre deux surfaces. Ci-contre, la pression excercée par le doigt est de l’ordre de 4 kg sur une surface de 2 cm2, la pression est de l’ordre de 2 bars. La même force sur une tête de punaise dont la pointe est de l’ordre de 1 mm2 correspond à une pres-sion de 400 bars.

Ordre de grandeur

On peut déjà affi rmer que la force subie par un volume (L3), de dimension caractéristique L, pré-sente une surface L2 ; il subit donc une force de

pression typique par unité de volume 2

3

L pLΔ

, soit pL

Δ.

�p est l’écart de pression sur la distance L.

Comme il a déjà été dit, il est maintenant nécessaire de passer à la force sur un volume �V, et de la ramener à l’unité de volume pour pouvoir la comparer aux autres termes du principe fondamental de la dynamique appliqué à un petit volume.

Prenons un cas à une dimension (O, uz

�), pour laquelle la

pression croît en sens inverse de uz

�. Sur le schéma ci-contre,

la pression dans le fl uide est représentée par le niveau de gris : plus le niveau de gris est élevé, plus la pression est forte. La pression est donc plus forte sur la face inférieure �S en z que sur la face �S en z + �z.La face �S en z subie donc une force p(z) · �S · uz

�, tandis

que la face �S en z + dz subie une force p(z + �z) · �S · (–uz

�).

Si on note �p l’écart de pression (�p = p(z + �z) – p(z) ici négatif), la force résultante est donc donnée par – �S · �p · uz

�.

En divisant par �V = �z · �S, on obtient1 donc la force volu-

mique de pression2 : –p

zuz

�δδ

. Elle est ainsi naturellement

opposée au sens de croissance de la pression3. En bref, la pression pousse un peu plus en dessous qu’au dessus, la force résultante est donc vers le haut du dessin.

1. Les forces de pression sur les autres faces se compensent deux à deux, puisque pour deux faces opposées, pression et valeur de surface sont identiques, tandis que les normales sont opposées. 2. En passant à la limite (lorsque �z, et donc �p, tendent vers zéro), on obtient la dérivée de

la pression par rapport à z : f –p

zup

� �=∂∂, vol .

3. En eff ectuant le même calcul sur les autres faces, on a la résultante volumique des forces de pression donnée par

f –p

zu

p

zu

p

zup x y z

� � � �=∂∂

+∂∂

+∂∂

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟, vol

, soit ux

� �� – grad(p) · ;

� ��grad(p) donne le sens de croissance de p.


157

CChapitre hapitre 66Comment effectuer des expériences en Comment effectuer des expériences en

thermodynamiquethermodynamique


167

Chapitre 6 Comment effectuer des expériences en thermodynamique

d’eff ectuer un étalonnage avec l’acquisition pour le 0 °C (mélange eau-glace) et 100 °C (eau en ébullition sous 1 bar).La résistance de platine est généralement gainée dans un tube inoxydable, ce qui permet de l’immerger. La résistance de platine se trouve à l’extrémité du tube (le dernier centimètre). Par conséquent, il n’est pas utile que tout le tube soit plongé dans le système puisque seule l’extrémité est sensible. Le tube est de diamètre variable selon le constructeur. Au cours de l’utilisation, il faut penser à la capacité calorifi que du tube, et donc prendre un système d’étude de capacité calorifi que très grande devant celle du tube. Il faut prendre conscience que la gaine en inox est très bonne conductrice thermique et peut perturber les échanges thermiques, s’ils sont faibles au niveau de l’expérience. Il peut parfois être utile d’isoler par un isolant thermique la partie de la sonde qui reste en contact avec l’atmosphère pour minimiser les échanges.

Pour résumer• Extrémité sensible.• Dans la masse d’un liquide ou solide.• Réaction rapide (10 secondes, par la conductivité thermique élevée de la gaine).• Assez fort diamètre, interfaçable, donc utilisable en continu.• Évaluer les fuites thermiques par la gaine inox.

3.2.2 ThermocouplesDeux soudures (jonction) de deux métaux diff érents portées à deux tempéra-tures diff érentes, délivrent une petite diff érence de potentiel (couplage thermo-électrique) : c’est l’eff et Seebek.En pratique, on trouve dans tous les laboratoires des sondes de type K (il en existe bien d’autres types) qui utilisent trois métaux. Celle de type K utilise du chrome, du nickel et de l’aluminium. Relié au boitier de mesure, celui-ci donne un affi chage ou /et une sortie en tension convertible en température. Le boitier contient des systèmes de compensation, mais il est souhaitable d’eff ectuer un étalonnage lorsqu’il délivre une tension. Attention, il ne faut pas rallonger les fi ls du thermocouple en soudant à l’étain des fi ls de cuivre, car cela ferait appa-raitre des jonctions supplémentaires que le système de compensation ne saurait pas gérer.

TIPE - ÉchangeurPour l’échangeur tubulaire le tube intérieur qui guide le fl ux d’air chaud a un diamètre intérieur de 4mm. La soudure de la sonde K fait environ 2 mm et peut être glissée très facilement dans le tube grâce à sa connexion très fi ne.


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Pour résumer• Idéal pour les petits écoulements gazeux ou liquides.• Réaction rapide (environ 10 secondes).• Interfaçable donc utilisable en continu.• Seule la soudure à l’extrémité est sensible.• Nécessite une vérifi cation de l’étalonnage.• Ne pas rallonger les fi ls.

3.3 Pour mesurer une température de surfaceLes transferts thermiques ont lieu de manière générale à trois dimensions impli-quant une étude parfois très complexe. Expérimentalement, il peut être intéres-sant de réduire à une ou deux dimensions. Nous verrons de quelle manière cela peut être fait dans l’étude des transferts thermiques, pour lesquels il peut s’avérer avantageux de mesurer la température de la surface étudiée.

3.3.1 Sonde de surfaceUne première méthode consiste à pratiquer un petit encastrement (d’un ou deux millimètres) juste avec la pointe d’une mèche de perçage dans le matériau, et d’y placer une sonde Pt100 maintenu en position. Un peu de pâte de contact ther-mique rendra la prise de température plus fi able.

Il existe aussi des thermomètres adaptés aux surfaces, comme le thermomètre « de surface » ci-dessous.C’est, en fait, une Pt100 en contact avec un disque métallique très bon conduc-teur thermique. Le disque s’équilibre en température avec une large surface de contact avec la surface dont on souhaite mesurer la température. Celle indiquée ci-contre (32,9 °C) est celle de la peau, puisque la tem-pérature ambiante est de 21 °C au moment du cliché.

De petites bandelettes thermo-luminescentes pour terrariums permettent également de don-ner la température de la surface sur laquelle elles sont collées. Leur échelle de température est peu étendue : de 20 °C à 42 °C pour celle ci-dessus.

3.3.2 Mesure par point de fusionLes molécules organiques ont des points de fusion très précis. Certains labora-toires de chimie en possèdent un ensemble d’échantillons (très purs donc chers) dont les points de fusion s’échelonnent de 40°C à 200°C environ. Il suffi t de déposer un cristal du composé et d’observer à la loupe : s’il fond, c’est que la tem-pérature de la surface est au-dessus de son point de fusion, sinon, c’est qu’il est en dessous. On peut alors procéder par encadrement.

3.3.3 Élément PeltierUn eff et intéressant de température de surface est l ’élément à eff et Peltier. Si une diff érence de température est appliquée entre les deux faces de l’élément

TIPE Refroidissement par un disque


202


Une autre solution en régime variable intéressante à étudier est celle de l’alter-nance du chaud et du froid sur une face d’un milieu. C’est le cas de l’alternance jour et nuit qui induit un fl ux d’énergie quasi-sinusoïdal (de période 1/f, et de pulsation � = 2 × f associée) sur toute surface terrestre. On montre facilement par deux dérivations successives de l’espace et du temps que la solution à une

dimension de l’équation de la chaleur (T

tD

T

x

∂∂

= ∂∂

2

2) dans le milieu défi ni pour

la zone x > 0 est : T(x,t) = TT

e wt –x– x+ Δδ

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

δ

2cosmoyenne

/ , avec Dδ =ω

2 et �T

représente la variation de température en surface de matériau (en x = 0).Cette onde de température est une onde évanescente (voir « les ondes » page 110) qui présente une longueur caractéristique de pénétration dans le milieu chiff rée par � (qui intervient dans l’exponentielle, la variation de température est divisée par trois environ à la profondeur �) et une vitesse de propagation dans le milieu donnée par � × �. Cette vitesse est à l’origine d’un retard dû à la propagation

de l’écart de température �T donné par L

δω. C’est l’utilisation de ce retard (ou

« déphasage » en le multipliant par �) qui est parfois utilisé dans certain disposi-tif de maisons passives.Il peut être intéressant d’observer et d’interpréter ce phénomène de propaga-tion par un dispositif similaire à l’expérience précédente utilisant une caméra infra-rouge en déposant alternativement les blocs sur des surfaces chaudes et froides.

6.5 Comment mettre en œuvre les transferts thermiques par convection

La convection est un mode de transfert thermique provoqué par un mouvement de matière, donc exclue dans un solide. Elle n’a lieu que dans les fl uides.On en distingue deux types :

Ø la convection naturelle : le mouvement de fl uide est provoqué « naturel-lement » par la poussée d’Archimède, puisque des écarts de températures provoquent les diff érences de masses volumiques ;

Ø la convection forcée : le mouvement de fl uide est provoqué par une action mécanique telle qu’un ventilateur.

Les convections naturelles ou forcées ont des eff ets de transferts thermiques au sein même du fl uide, et en surface de contact avec des solides.Nous allons plus nous intéresser aux eff ets de surface de la convection dans cette partie.Communément, on utilise une loi de propor-tionnalité pour modéliser l’échange thermique de puissance Pth du solide vers le fl uide :

Ø proportionnelle à la surface en contact S ;

Ø proportionnelle à l’écart de tempé-rature entre la surface du solide et celle du fl uide.


203

Chapitre 6 Comment effectuer des expériences en thermodynamique

Le coeffi cient de proportionnalité est toujours noté h, et se nomme « coeffi cient d’échange conducto-convectif de surface » : Pth= h × S × (Tsurface-Tfl uide), h est en W · m–2 · K–1, et h × S est donc une conductance thermique.« h » dépend de la viscosité du fl uide, de sa diff usivité, de sa vitesse, et de l’état de surface du solide. Les diff érentes variations de ces paramètres amènent à de nombreuses idées d’expériences.Dans l’air au repos, le coeffi cient h de l’ordre de 5 W · m–2 · K–1, il est de l’ordre de 10 W · m–2 · K–1 pour une vitesse de 1 m · s–1. L’étude en fonction de la vitesse du vent peut se faire en utilisant une souffl erie (voir « confection d’une souffl erie » page 137).La mise en œuvre peut être simple si l’on uti-lise une boule de ferronnerie percée (au dia-mètre de la sonde Pt100) jusqu’à son centre. La boule est ensuite enfi chée sur le thermo-mètre après avoir été portée à une cinquan-taine de degrés. La bille se refroidit simple-ment à l’air libre. Pour la plus grosse bille (rayon, r, de 2,5cm) le temps caractéristique

du refroidissement1 a été de l’ordre c

hSτ = boule ,

où S est la surface d’échange thermique de la boule (4r2).

La mesure préalable de la capacité calorifi que de la boule permet de déduire une évaluation de h. Pour cette boule l’ordre de grandeur de � mesuré est de 2,3 · 103 s.

On peut se poser la question de la température de la boule. L’échange en surface dépend la température de la boule, mais vaut-elle bien celle au cœur de la boule ?

Ordre de grandeur

On peut considérer que la température de la boule est uniforme si le temps de mise à l’équilibre de la boule par diffusion thermique (�tdiffusion) est faible devant le temps

caractéristique des pertes thermiques par convection �tconvection � boulechS

. On peut natu-

rellement utiliser la diffusivité D = ·acier

acier aciercλ

ρ. Sa valeur donne l’ordre de grandeur

de la longueur caractéristique au carré (ici r2boule) divisé par le temps caractéristique

�tdiffusion ; donc �tdiffusion � boule2rD

.

On a cacier � 450 J · kg–1 · K–1, �acier � 7,5 · 103 kg · m–3, �acier � 50 W · m–1 · K–1, rboule = 2,5 · 10–2 m et h � 10 W · m-2 · K–1.Donc �tconvection � 2,8 · 103 s (confi rmé par l’expérience) et �tdiffusion � 40 s. Le temps d’homogénéisation de la température par diffusion est donc beaucoup plus court que celui des pertes par convection.On peut donc considérer que la température est uniforme.

1. L’équation vérifi ée par la boule est du type CdT

dt–hS T – T= ( )boule air ,

dont la solution est : T(t) = (Tinitiale – Tair)e–t/� + Tair, où

C

hSτ = boule est le temps caractéristique

d’évolution de la boule dans ces conditions.

Il est impossible d’amorcer le trou dans une bille de roule-ment à bille car l’acier est trop dur. Les boules de ferronnerie sont en acier plus tendre et on y trouve toujours une aspérité pour amorcer le perçage.


212


Des chutes de tasseaux (section 3 cm×5 cm) en bois permettent de faire à la fois les pieds et les pièces de maintien et de serrage des caissons par des tiges fi letées.La fi xation se fait par vissage par l’intérieur (4 vis par tasseau), et collage car il y aura les contraintes mécaniques du serrage sur ces pièces. Le maintien des pièces par un serre-joint « une main » est toujours confortable pour gar-der la position choisie.

Le tracé de la coupe pour le tube PVC est faite autour du tube placé au centre de la face de l’échangeur. Un trou à la perceuse permet de passer la lame de la scie sau-teuse, qui convient parfaitement pour des coupes circulaires. Le tube est découpé à la scie à métaux et peut être collé. Il est maintenu par dessous avec une cale adaptée. Une cartouche de mastic-colle polyuréthane permet de coller le tube en comblant l’espace entre le tube et le bois du caisson. Avec la même colle, on fait l’étanchéité à l’air de toutes les arêtes intérieures des caissons. Une cartouche permet de faire environ 15 m de cordon de 5 mm de largeur. Le lissage de la colle est fait avec le doigt préalablement trempé dans de l’eau savonneuse.

Après séchage de la colle, l’assem-blage des caissons peut être réalisé par 8 tiges fi letées de 8 mm de diamètres. Ne pas oublier de mettre des rondelles pour éviter l’écrasement du bois.L’échangeur est posé sur une plaque d’aggloméré coupé aux dimensions de l’échangeur. Elle est en appui sur le bas des 4 caissons.L’étanchéité à l’air est faite avec du joint mousse en rouleau sur les arêtes cais-sons/échangeur, et avec une plaque de polystyrène en haut de l’échangeur.


213

CChapitre hapitre 77Exploitation des signaux électriquesExploitation des signaux électriques


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Mode d’emploi

La plupart des systèmes de mesure présentés dans l’ouvrage et que l’on trouve dans un laboratoire sont constitués de capteurs et donnent directement un signal exploi-table ou un affi chage.Mais il se peut que l’on souhaite fabriquer son propre système de mesure en utilisant un capteur électronique (de force, de pression, d’humidité, de température) mieux adapté au système. Or, les informations recueillies à la sortie d’un capteur, (ther-momètre, hygromètre…) sont le plus souvent électriques car il s’agit généralement d’une tension. Celle-ci est souvent inexploitable telle-quelle, il faut l’amplifi er, la fi ltrer, la comparer à une tension de référence… Ce sont quelques-unes de ces opérations qui sont présentées dans ce chapitre.

1 POUR COMPRENDRE L’ÉLECTRONIQUE

1.1 Les potentiels et les courantsL’électricité traite des potentiels et des courants. Les potentiels (notés v) ont des valeurs qui s’expriment en volts et les courants (notés i) ont des intensités qui s’expriment en ampères ; dans ce dernier cas, on confond souvent le vocabulaire courant et intensité.Le potentiel est un champ de scalaires, c’est à dire qu’il présente une certaine valeur en chaque point de l’espace M, notée v(M).Comme dans tous les domaines de la Nature, on ne peut interagir qu’avec des phé-nomènes qui présentent une certaine énergie que l’on prélève un peu au cours de l’interaction. Potentiel et courant sont dits conjugués (voir « lexique physique et outils mathématiques » page 283), leur produit est plutôt une puissance (Pélec), c’est-à-dire une énergie par unité de temps. On peut exprimer une énergie pendant un court temps �t en faisant simplement �Eélec = Pélec × �t, qui donne naturellement �Eélec= V × i × �t. On en vient donc à la défi nition (ou la signifi cation) du courant i.

Le courant est une quantité de charge électrique (en coulombs) qui traverse une surface, c’est un débit de charges (voir Débit dans « Les fl uides » page 142, et Charges dans « Mécanique » page 90).

Les charges ne peuvent se déplacer que dans un milieu conducteur : l’eau, les métaux, parfois l’air1. Mais guider les charges par de l’eau est peu aisé. On choisit donc de le faire par des fi ls conducteurs. L’intensité est la quantité de charge qui traverse la section du fi l par seconde. Il est le même en n’importe quel point du fi l2 et est indiqué par une fl èche.L’électricité a sa propre symbolique : la symbolique d’un fi l est un simple trait, courbe ou droit, peu importe car il n’y a pas la notion de géométrie en électricité.

Pour résumer• Le potentiel (en volts) v a une certaine valeur en M.• Le courant est le même le long d’un fi l conducteur et représente une quantité de charge qui le traverse par unité de temps et ceci, dans le sens indiqué par la fl èche qui le représente.

1. L’air est un isolant. Mais tout isolant peut « claquer », c’est-à-dire qu’il peut se mettre à conduire les charges (on dit « l’électricité ») s’il est soumis à une diff érence de potentiel suffi -samment forte par mètre (c’est un champ électrique). Pour l’air sec c’est environ 1 000 000 V/m, et cela provoque une étincelle.2. À condition d’avoir un régime (quasi)stationnaire, donc une fréquence pas trop élevée afi n de négliger les eff ets de propagation.


215

Chapitre 7 Exploitation des signaux électriques

On peut préciser que des charges positives qui traversent le fi l dans le sens de la fl èche sont équivalentes à des charges négatives qui le traversent dans l’autre sens1.Par ailleurs, un fi l électrique a la propriété d’avoir le même potentiel partout.Revenons à l’énergie. Comme il a été vu dans le « Pour com-prendre le principe des résistances chauff antes » page 181, ce n’est pas le potentiel qui compte, mais la diff érence de potentiel (d.d.p.) de part et d’autre d’un dipôle (système électrique qui a deux pôles ou bornes). On la note �v = déf v(A) – v(B), et on peut la nommer également tension aux bornes du dipôle. On a vu que la puissance électrique consommée par le dipôle Pélec est donnée en fait par Pélec = loi �v × i.Chaque dipôle a un comportement propre qui le caractérise avec une loi mathé-matique entre sa d.d.p. et le courant qui le traverse :

Ø un générateur de tension impose une d.d.p. On parle alors de force élec-tro-motrice (f.é.m.), qui peut être de nature chimique pour une pile, ou due à un phénomène d’induction (dynamo, alternateur) ;

Ø un moteur convertit cette puissance électrique en puissance mécanique.

Dans ce dernier cas, et dès l’instant où de fortes puissances sont concernées, ce domaine électrique est l’électrotechnique, dont nous ne parlerons pas dans ce chapitre.

1.2 Pourquoi traiter les tensions ?Ce qui nous intéresse, c’est le traitement des tensions. En eff et les capteurs (y compris celui artisanal constitué d’un aimant mobile (voir « Mécanique » page 60) délivrent majoritairement des d.d.p. L’électronique est le domaine qui traite les d.d.p. à faible courant, donc à faible puissance, tout comme l’équaliseur d’une chaine hifi traite le signal électrique, avant d’être amplifi é par un amplifi cateur de puissance (domaine de l’électronique de puissance).La priorité est donc la tension, le courant n’est qu’un intermédiaire.

Le capteur peut être alimenté en tension (par son « alim ») ou non (consulter sa notice, « data sheet ») et fournit une d.d.p. brute (�vbrute) qui est une image de la grandeur physique mesurée (pression, accélération, température). C’est donc une conversion en Volts, dans un domaine borné (souvent 0 V/5 V), d’une grandeur en Pa ou m ∙ s–2 ou K etc.

Cette tension peut être visualisée par un oscilloscope, ou enregistrée sur un ordina-teur par l’intermédiaire d’une carte d’acquisition.

Cette tension (�vbrute) a donc le plus souvent besoin d’être traitée : amplifi ée (aug-mentée), débarrassée de ses parasites (on dit « fi ltrée »), comparée à une autre, etc. On obtient alors �vtraitée.

1. Comme pour le débit de masse, le courant est le fl ux d’un vecteur j� �

= ρ⋅ν, �ν est la vitesse

des charges, et � est, cette fois, la densité volumique de charges. Donc si � et �ν changent tous

les deux de signe, j� ne change pas. La fl èche du courant a en fait la direction de la normale à

la section du fi l à travers laquelle on considère le fl ux de j�.


230


« Pitch », « Roll » et « Yaw » correspondent aux trois rotations possibles d’un solide.

En cliquant sur « Start Unit », l’acquisition est lancée. Les données sont ensuite stockées dans un fi chier texte .txt (voir fi gure). Elles peuvent être exploitées dans un tableur classique comme Excel, par exemple.


231

CChapitre hapitre 88Les matériaux et leur mise en œuvreLes matériaux et leur mise en œuvre


244


3 BÉTON, MORTIER, CIMENT

Le béton1 (mélange de sable, ciment, eau et gravier) et le mortier (mélange de sable, ciment et eau) permettent de réaliser pratiquement n’importe quelle forme par coff rage. Ils sont denses (environ 2,5 tonnes au m3), peu sensibles à l’eau, très résistants.

3.1 PrésentationLe ciment est un silicate d’alumine déshydraté (initialement obtenu par chauf-fage). On le réhydrate lors du malaxage avec l’eau, ce qui crée des liaisons chimiques2 avec la silice (qui est la base du sable). Cela confère au béton des pro-priétés voisines de la roche. Le béton ne sèche pas par évaporation de l’eau, mais il « prend », et une grande partie de l’eau du mélange reste piégée dans le maté-riau, en participant à la liaison entre chaque grain ; on parle de « prise » du béton. La prise totale conférant au béton ses propriétés défi nitives se fait en 28 jours. Le ciment mélangé, à proportion de 350 kg/m3, à du sable et du gravier (et à de l’eau) constitue le béton courant polyvalent. Mélangé à du sable (mignonette, de calibre inférieur à 5 mm) il constitue un mortier.

1. Ciments et bétons, Michel Vénuat, PUF, Paris, 19732. Il se produit une réaction chimique exothermique dont on peut sentir la chaleur émise en posant simplement la main juste après le début de prise d’une dalle.


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Chapitre 8 Les matériaux et leur mise en œuvre

Les mortiers sont utilisés pour assembler des blocs bétons, et faire des enduits. Pour ces derniers, on utilise un sable plus fi n et une plus forte proportion de ciment. L’aspect obtenu est gris, et le mélange peut être coloré par des colorants à base d’oxydes métalliques.Pour la pierre, on utilise plutôt un mélange voisin de 50 %-50 % de chaux et de ciment qui laisse mieux respirer la pierre.Les bétons issus d’un mélange de sable/gravier/ciment/eau sont utilisés pour monter des structures porteuses ou devant résister à la pression .

3.2 PropriétésChacun sait que le béton est le plus souvent armé ; c’est-à-dire ferraillé. La raison est simple et conduit tout le principe de son utilisation.Les liaisons dues au ciment confèrent au béton une extraordinaire résistance à la compression (caractérisée par son type, par exemple « 32,5R »)1. Il est cepen-dant faible à la traction ; une éprouvette de béton peut être testée en tirant à ces deux extrémités, au cours de contrôle destructif (l’échantillon du test est détruit), ces testes sont réalisés en pratique sur des ouvrages de grande ampleur.

Caractéristiques mécaniques du béton :• résistance à la compression : environ 30 MPa ;• résistance à la traction : environ 3,5 MPa ;• résistance au cisaillement : environ 2 MPa ;• module d’Young : environ 30 000 MPa.

L’acier des ferrailles, lui, est très résistant à la traction : environ 400 MPa.

En les associant, on crée un matériau composite qui allie les qualités du béton et de l’acier.Le béton non-ferraillé peut s’utiliser en fondation d’édifi ces. Mais dès que la structure va devoir subir une traction, la règle commune est de ferrailler à une profondeur d’au moins 3 cm dans le béton, sous peine de le voir éclater sous l’ef-fet de la dilatation de l’acier par forte amplitude thermique.

1. Couramment le type 32,5R désigne une résistance à la compression de 32,5 Mégapascal, soit l’équivalent d’un 38 tonnes posé sur un carré de 9 cm de côté, la résistance à la traction est de 10 à 15 fois plus faible ; il existe des types 42,5R et 52,5R pour des propriétés mécaniques supérieures.


253

Chapitre 8 Les matériaux et leur mise en œuvre

5 LE SABLE

Le sable pourrait avoir sa place dans le chapitre consacré aux fl uides. Il peut être un objet d’étude autant qu’un moyen d’étude.

Les sables les plus courants sont constitués de silice. Ils sont caractérisés par leur granulométrie, c’est à dire la taille moyenne des plus gros grains qui les consti-tuent. Le sable de maçonnerie s’appelle de la « mignonette » et a une granulomé-trie de 0,5 mm.

5.1 La granulométrie et son utilisationUn passage dans une série de tamis (que l’on trouve dans tous les laboratoires de SVT) permet d’extraire des sables plus fi ns, et de connaître la composition d’un sable quelconque.

Sur la photographie ci-contre, les tamis s’empilent pour trier les grains dans des diamètres variant d’un facteur 2, en partant de 63 μm ; soit 125 μm, 250 μm, 500 μm, 1 mm et supérieur à 2 mm.

L’utilisation peut être très diverse : Ø en milieu sec, les grains les plus fi ns peuvent servir à exercer de faibles

forces (par gravité) en ajoutant progressivement du sable sur le système que l’on veut très légèrement comprimer ;

Ø porosimétrie d’une surface, mesurant la masse de sable d’une certaine taille qu’une surface peut recevoir ;

Ø faire varier un état de surface en collant du sable ; Ø décantation/fi ltration dans l’eau, envol de brandons, avalanche dans l’air

ou l’eau, simulation de sols, écoulement dans des silos, séparation des tailles de grains par vibration, etc. ; et ce en fonction de la taille des grains.

Le sable (de granulométrie de 5 mm) a été utilisé comme « sol de référence » pour le TIPE Etude de sol. Afi n de négliger les effets de bords, le diamètre du contenant (tube de PVC de diamètre 250 mm collé sur du contre-plaqué) est beaucoup plus grand que le diamètre de la pointe du pénétromètre. À chaque essai, le sable est reversé pour le remettre dans son état de tassement initial.

5.2 Les forces dans le sableLe sable peut être décrit et utilisé comme un fl uide (il prend la forme de son contenant), avec des contraintes de pression et des contraintes tangentielles.Une modélisation du sable sec peut consister à décrire la contrainte tangentielle avec une loi de frottement sec (ou frottement solide, voir « serre-joint » page 262), caractéristique des frottements entre solide ; ce sont d’ailleurs les grains de sables qui frottent les uns sur les autres.Dans ce cas, le modèle est le suivant :

Ø à l’équilibre ftangente < ks × fnormale ; Ø dans le cas d’un glissement d’une couche de sable sur une autre,

ftangente = kd × fnormale.


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CChapitre hapitre 99Outillage minimal et utilisationOutillage minimal et utilisation


280


7 PONCEUSE À BANDE

L’usage premier de la ponceuse à bande est la réalisation d’un travail de fi nition sur des pièces de bois rabotées. Pour cela on utilise des bandes de papier abrasif au grain de plus en plus fi n au fi l des passages. Ce type de machine présente un fort débit de sciure et permet un travail rapide et précis même sur de petites surfaces.Passée sur du bois brut, elle permet d’enlever les barbes pour éviter de se blesser lorsque la main glisse sur le bois. Elle permet également de réaliser des ajustages de coupes.

La ponceuse à bande ci-contre peut également s’utiliser retour-née pour poncer directement en pression sur la bande. Cette posi-tion est utile pour des ajustages en courbe, la réalisation de pro-fi ls, ou de petits ponçages sur les coupes elles-mêmes.

TIPE - AugetAprès des découpes transversales puis longitudi-nales à la disqueuse, les bords du tube PVC ont été rapidement usinés au touret à meuler puis affi nés à la ponceuse à bande pour un assemblage des deux pièces à la colle spéciale PVC (résistante à l’eau).

Le débit de sciure d’une telle machine est très important et permet en quelques minutes de réaliser un profi l en bois.


Une description innovante et ingénieuse detravaux de recherche expérimentale

Cet ouvrage unique présente un grand nombre dematériels et matériaux courants, de systèmes de mesure,d’outillage et de techniques de confection permettantde réaliser des expériences dans un simple laboratoire dephysique de lycée, voire de collège.

Il s’adresse à toute l’équipe de recherche : l’étudiant, entant que chercheur, l’enseignant, en tant que directeur derecherche, les personnels de laboratoire… mais aussi toutlecteur curieux de physique abordée autrement.

Les clés pour créer des expériences

L’objectif de cet ouvrage est d’aider les scientifiquesdébutants à réaliser des expériences originales, du cadra-ge du sujet à la mesure, en passant par la conception et la confection. Plus de 600 photographies et schémasprécis et commentés permettent d’illustrer la démarcheà travers différentes conceptions d’expériences.

Publicsu Étudiants L1, L2, CPGE toutes filièresu Lycéens et débutantsu Techniciensu Personnel de laboratoireu Enseignants physique, SI, SVT

Une approche didactique de la physique

Grâce à une approche pédagogique claire et détaillée, les notions scientifiques et mathématiques utiles sontégalement présentées afin de pouvoir débuter danschaque domaine de la physique et la rendre accessible à des jeunes souhaitant élaborer un projet d’expérience.

L’auteur souhaite, à travers ce livre, habituer les apprentischercheurs à découvrir par eux-mêmes une infinité de sujetsd’étude à partir de phénomènes de la vie quotidienne.

L’auteur

François Petitet-Gosgnach, ancien élève de l’ÉcoleNormale Supérieure de Saint-Cloud (ENS Lyon), est professeur agrégé de Chaire Supérieure en CPGE au lycéeBlaise Pascal de Clermont-Ferrand.



Projets L1 et L2


Concevoir et réaliser des expériences de physiqueInitiation à la recherche - Application aux TIPE, TPE et MPS - Projets L1 et L2


a Plus de 600 photos et schémas en couleursa De nombreuses conceptions détailléesa Une approche innovante de la physique à la fois

expérimentale, technique et pratique

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concevoir et réaliser des expériences de physique

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