Concevoir et réaliser des expériences de physique by Groupe De Boeck

François Petitet-Gosgnach

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

Cet ouvrage unique présente un grand nombre de matériels et matériaux courants, de systèmes de mesure, d’outillage et de techniques de confection permettant de réaliser des expériences dans un simple laboratoire de physique de lycée, voire de collège. Il s’adresse à toute l’équipe de recherche : l’étudiant, en tant que chercheur, l’enseignant, en tant que directeur de recherche, les personnels de laboratoire… mais aussi tout lecteur curieux de physique abordée autrement.

Les clés pour créer des expériences L’objectif de cet ouvrage est d’aider les scientifiques débutants à réaliser des expériences originales, du cadrage du sujet à la mesure, en passant par la conception et la confection. Plus de 600 photographies et schémas précis et commentés permettent d’illustrer la démarche à travers différentes conceptions d’expériences.

Une approche didactique de la physique Grâce à une approche pédagogique claire et détaillée, les notions scientifiques et mathématiques utiles sont également présentées afin de pouvoir débuter dans chaque 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 apprentis chercheurs à découvrir par eux-mêmes une infinité de sujets d’étude à partir de phénomènes de la vie quotidienne.

L’auteur François Petitet-Gosgnach, ancien élève de l’École Normale Supérieure de Saint-Cloud (ENS Lyon), est professeur agrégé de Chaire Supérieure en CPGE au lycée Blaise Pascal de Clermont-Ferrand.

Publics u u u u u

Étudiants L1, L2, CPGE toutes filières Lycéens et débutants Techniciens Personnel de laboratoire Enseignants physique, SI, SVT

ISBN : 978-2-8041-7639-6

image : © D.R.

Conception graphique : Primo&Primo

a Plus de 600 photos et schémas en couleurs a De nombreuses conceptions détaillées a Une approche innovante de la physique à la fois expérimentale, technique et pratique

www.deboeck.com CONEXPHY

Concevoir et réaliser des expériences de physique

Une description innovante et ingénieuse de travaux de recherche expérimentale

François Petitet-Gosgnach

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François Petitet-Gosgnach

Concevoir et réaliser des expériences de physique Initiation à la recherche Application aux TIPE, TPE et MPS Projets L1 et L2 Préface de Pierre Léna

François Petitet-Gosgnach

Concevoir et réaliser des expériences de physique Initiation à la recherche Application aux TIPE, TPE et MPS Projets L1 et L2 Préface de Pierre Léna

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., 2013 Rue des Minimes, 39 B-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 (notamment par photocopie) partiellement ou totalement le présent ouvrage, de le stocker dans une banque de données ou de le communiquer au public, sous quelque forme et de quelque manière que ce soit. Imprimé en Belgique Dépôt légal : Bibliothèque nationale, Paris : avril 2013 Bibliothèque royale de Belgique : 2013/0074/119 ISBN : 978-2-8041-7639-6

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Sommaire Préface ................................................................................................. XI Avant-propos ..................................................................................... XIII Mode d’emploi................................................................................... XVI

Chapitre

Introduction et cadrage du sujet .................................................... 1 2 3 4

Introduction .............................................................................. Contraintes et spécificités du travail .......................................... Qu’est-ce que créer une expérience ? ......................................... Pour chercher et cadrer le sujet .................................................. 4.1 Les différentes étapes de la recherche ........................................ 4.2 Comment cadrer le sujet et se documenter ................................ 4.3 Comment exploiter et analyser un document scientifique (ADS)........................................................................................

Chapitre

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 3 4

5 6 7

Comment concevoir et réaliser ...................................................... 1 2

1 2 3 3 5 5 7

Le phénomène, ses équations maîtresses ................................... Évaluer des ordres de grandeurs, comment dimensionner ......... Une étape indispensable ............................................................ Observation de systèmes existants ............................................. Recherche dans des documents scientifiques ............................. Ordre de grandeur expérimental : « essai préliminaire » ............ Exploitation des équations maîtresses en « ordre de grandeur » Nombres adimensionnés............................................................ Réduction d’échelle, maquettes (« similitudes ») ........................ Dimensionnement par la confection..........................................

17 18 20 20 20 21 21 22 24 24 25

Système de mesure .................................................................... Le cahier des charges, fonctions, formes et liaisons, spécificité des matériaux ............................................................................ 4.1 Comment établir un cahier des charges ..................................... 4.2 Exemple du banc de traction ..................................................... 4.3 Spécificités des matériaux et des liaisons ...................................

26 28 28 30 32

La réalisation ............................................................................. Protocole expérimental .............................................................. Exploitation et présentation du travail....................................... 7.1 La finalité du travail .................................................................. 7.2 Le suivi du travail ......................................................................

33 35 37 37 37 V

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Concevoir et réaliser des expériences de physique 7.3 Confrontation des résultats à un modèle .................................. 7.4 Détermination des incertitudes ................................................. 7.5 Présentation du travail ...............................................................

Chapitre

Comment produire et mesurer des grandeurs mécaniques ..... 1

38 40 42

Pour maîtriser les géométries, positions, épaisseurs, courbures, directions ................................................................................... 1.1 Mesure de dimensions (statique) du micromètre à 10 m ........... 1.2 Mesure de position (quasi-statique) .......................................... 1.3 Direction ................................................................................... 1.4 Mesure de courbure ..................................................................

46 46 48 49 50

Pour étudier des mouvements ................................................... Système photodiode/laser .......................................................... Potentiomètre rotatif ................................................................. Mesures par induction ............................................................... Acquisition d’images et vidéos ..................................................

50 50 55 60 64

Comment exercer et mesurer les forces .................................... 3.1 Utilisation d’une balance ............................................................. 3.2 Les dynamomètres .................................................................... 3.3 Système masse/corde/poulie ...................................................... 3.4 Comment exercer une torsion ................................................... 3.5 Comment décupler sa force .......................................................

69 70 71 72 73 74

4 5

Comment guider en translation................................................. Comment faire vibrer et osciller ................................................ 5.1 Pour éviter de casser le système oscillant ..................................... 5.2 Pour utiliser un haut-parleur ..................................................... 5.3 Système à induction .................................................................. 5.4 Comment réaliser un plateau oscillant.......................................

82 84 84 85 86 86

Pour comprendre la mécanique des mouvements ........................................................................ 6.1 Pour décrire le mouvement d’un point ...................................... 6.2 Qu’est-ce qu’une force ? ............................................................. 6.3 Le Principe Fondamental de la Dynamique (PFD), Théorème du Centre d’Inertie (TCI) ......................................................... 6.4 Pour décrire une rotation ........................................................... 6.5 Comment donner de l’énergie mécanique ? ...............................

2 2.1 2.2 2.3 2.4

Chapitre

88 88 89 91 93 97

Comment produire et mesurer des ondes ................................... 103 1 2

Qu’est-ce qu’une onde ? ............................................................. 104 Quelles sont les caractéristiques des ondes ? .............................. 105

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Sommaire 2.1 La nature des ondes ................................................................... 105 2.2 Caractéristiques d’espace ........................................................... 105 2.3 Caractéristiques du temps ......................................................... 105 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Mise en œuvre de quelques ondes ............................................. Onde de compression dans un ressort ....................................... Onde dans un câble d’acier ........................................................ Vibration d’un anneau ............................................................... Onde acoustique aquatique ....................................................... Ondes électromagnétiques centimétriques ................................ Comment faire des vagues .........................................................

Chapitre

106 106 107 110 112 114 114

Mouvements de fluides.................................................................... 117 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Comment produire et mesurer des mouvements d’eau .............. Généralités et sécurité ............................................................... L’écoulement de l’eau du réseau ................................................. L’écoulement gravitaire .............................................................. Les pompes à eau ...................................................................... Conception et réalisation d’une circulation d’eau horizontale....

118 118 118 119 120 127

2.1 2.2 2.3 2.4

Comment produire et mesurer des mouvements d’air ............... Systèmes de production ............................................................. Systèmes de mesure ................................................................... Conception et réalisation d’une soufflerie carénée ..................... Conception et réalisation d’un caisson polyvalent ....................

130 131 135 137 139

3.1 3.2 3.3 3.4

Pour débuter en mécanique des fluides ...................................... Qu’est-ce qu’un fluide ? ............................................................. Pour comprendre la mécanique des fluides ................................ Pour résumer et comparer les différents termes ........................ Énergie, théorème de Bernoulli .................................................

141 141 142 153 154

Chapitre

Comment effectuer des expériences en thermodynamique..... 157 1 2

Pour comprendre l’énergie ......................................................... Comment mettre en œuvre l’agitation thermique ..................... 2.1 L’agitation thermique par un système vibrant............................ 2.2 Pour faire diffuser des particules ................................................

158 159 160 161

Comment mesurer la température ............................................. 3.1 Thermomètre à dilatation .......................................................... 3.2 Sondes Pt100 et thermocouples ................................................ 3.3 Pour mesurer une température de surface ..................................

165 165 166 168

Pour connaitre l’énergie interne, et mesurer la capacité calorifique .... 173 VII

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Concevoir et réaliser des expériences de physique 4.1 Définitions................................................................................. 173 4.2 Pour mesurer la capacité calorifique d’un système ..................... 174 5

Comment faire « du chaud » et « du froid » ............................... 5.1 Pour comprendre l’eau ............................................................... 5.2 Comment faire « du chaud » ..................................................... 5.3 Comment faire « du froid » .......................................................

175 176 176 183

Comment faire des transferts thermiques .................................. 6.1 Diffusion, convection, rayonnement .......................................... 6.2 Comment mettre en œuvre les transferts thermiques par diffusion .............................................................................. 6.3 Mesure de lambda par résistance ou conductance thermique...... 6.4 Mesure de diffusivité, régime variable ......................................... 6.5 Comment mettre en œuvre les transferts thermiques par convection ........................................................................... 6.6 Le rayonnement ........................................................................

191 191 192 194 199

Comment mettre en œuvre des échangeurs thermiques ............ 7.1 Le principe des échangeurs ....................................................... 7.2 Pour fabriquer un échangeur double-flux inversé bas débit ....... 7.3 Pour fabriquer une VMC double-flux croisés haut débit ...........

208 208 209 210

Chapitre

202 206

Exploitation des signaux électriques............................................. 213 1

Pour comprendre l’électronique ................................................. 1.1 Les potentiels et les courants ..................................................... 1.2 Pourquoi traiter les tensions ? .................................................... 1.3 Opérations de base en électronique ...........................................

214 214 215 216

Comment mettre en œuvre les traitements électroniques .......... 2.1 Faire des essais avant….............................................................. 2.2 Comment amplifier un signal .................................................... 2.3 Filtrage ......................................................................................

221 221 222 224

Mise en œuvre d’un capteur et transmission des données ......... 227 3.1 Exemple d’un capteur, l’accéléromètre ....................................... 227 3.2 Émetteur/récepteur ................................................................... 228

Chapitre

Les matériaux et leur mise en œuvre ............................................ 231 1. 2 2.1 2.2 2.3 2.4

Généralités sur les matériaux ..................................................... Bois et dérivés............................................................................ La structure du bois ................................................................... Pour débuter en résistance des matériaux (RDM) ..................... Travail en traction/compression................................................. Cisaillement, dureté ...................................................................

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Sommaire 2.5 Flexion et flambement ............................................................... 241 2.6 Règle de base pour utiliser le bois en structure .......................... 243 3

Béton, mortier, ciment ............................................................... 3.1 Présentation ............................................................................... 3.2 Propriétés .................................................................................. 3.3 Mise en œuvre et utilisation en laboratoire................................

244 244 245 247

Le verre, et son utilisation.......................................................... 4.1 Propriétés .................................................................................. 4.2 Découpe et perçage du verre ...................................................... 4.3 Collage d’une cuve en verre .......................................................

248 248 249 250

Le sable ..................................................................................... 253 5.1 La granulométrie et son utilisation ............................................ 253 5.2 Les forces dans le sable .............................................................. 253

Les matières plastiques .............................................................. 6.1 Les plastiques ............................................................................ 6.2 Polystyrène ................................................................................ 6.3 Le PVC .....................................................................................

255 255 256 258

7 8 9

Métaux ...................................................................................... Autres matériaux ....................................................................... Systèmes d’assemblage .............................................................. 9.1 Par serrage ................................................................................. 9.2 Clouage, vissage, boulonnage ..................................................... 9.3 Collages .....................................................................................

259 261 261 261 263 265

Chapitre

Outillage minimal et utilisation .................................................... 269 1 2 3 4 5 6 7

Principes physiques des machines.............................................. Perceuse, perceuse à colonne et accessoires ................................ Meuleuse d’angle, disqueuse, ou tronçonneuse à matériaux ...... Touret à meuler ........................................................................ Scie à onglet et scie sur table ..................................................... Scie sauteuse .............................................................................. Ponceuse à bande .......................................................................

Chapitre

270 271 274 276 278 279 280

Lexique physique et outils mathématiques ................................. 281 1 1.1 1.2 1.3 1.4

Pour décrire un système ............................................................. Notation .................................................................................... Le système ................................................................................. L’extérieur (d’un système) .......................................................... Grandeur ...................................................................................

282 282 282 282 282 IX

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Concevoir et réaliser des expériences de physique 1.5 Extensif et intensif .................................................................... 1.6 Grandeurs conjuguées ............................................................... 1.7 Variation d’une grandeur ⌬ (delta) ........................................... 1.8 Reçu et donné, échangé ............................................................. 1.9 Système ouvert et fermé ............................................................ 1.10 Isolé ........................................................................................... 1.11 Équilibre ....................................................................................

282 283 283 283 283 283 283

Pour décrire les variations au cours du temps ............................ 2.1 Le temps.................................................................................... 2.2 Fonction du temps, grandeur variable ........................................ 2.3 Variation instantanée, dérivée (du temps) .................................. 2.4 Stationnaire, permanent ............................................................ 2.5 Harmonique, sinusoïdal ............................................................. 2.6 Oscillateur harmonique ............................................................. 2.7 Spectre d’une grandeur G(t) ...................................................... 2.8 Exponentielle, stable, instable .................................................... 2.9 Équation différentielle ............................................................... 2.10 Équation différentielle du premier ordre ................................... 2.11 Généralisation mathématique....................................................

284 284 284 284 285 285 286 287 287 288 288 289

Pour décrire l’(es) espace(s) ........................................................ 3.1 L’espace ..................................................................................... 3.2 Isotrope .................................................................................... 3.3 Repère, paramétrage en espace ................................................. 3.4 Vecteur ..................................................................................... 3.5 Fonction de l’espace, grandeur de l’espace ................................. 3.6 Réduction de dimensions ......................................................... 3.7 Uniforme .................................................................................. 3.8 Gradient .................................................................................... 3.9 Champ ...................................................................................... 3.10 Grandeur volumique, surfacique, linéique ................................. 3.11 Intégration d’espace ...................................................................

289 289 290 290 290 291 291 292 292 292 293 293

Bibliographie ..................................................................................... 295 Index des travaux .............................................................................. 297 Index alphabétique ........................................................................... 301

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Préface Voici un merveilleux ouvrage qui fera aimer la physique et qui, par elle, fera découvrir la science, ses méthodes, sa beauté et sa puissance. La physique est parfois une discipline mal aimée. Autant il est aisé de faire vibrer 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 superficiel sur des thèmes de la vie quotidienne ou des scoops médiatiques censés 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 admirablement 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 scientifique, 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 heureuse interdisciplinarité, introduisant les élèves, rendus actifs, à cette pensée du complexe indispensable à la compréhension du monde d’aujourd’hui. Nos universités, confrontées au désamour des études de physique, ont lentement suivi, introduisant dès la licence une indispensable initiation à la recherche par la pratique 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 affrontement 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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Concevoir et réaliser des expériences de physique 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 pensée. Si l’informatique est bien présente dans la saisie ou la visualisation des données expérimentales, les charmes de la simulation sont pratiquement écartés au profit…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, fit appel à des pulvérisateurs de jardin, du contreplaqué ou du PVC, des webcams ou des pompes d’aquarium. Le champ couvert est celui de la physique classique, telle qu’elle figure 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 analogue, 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, figurant dans l’ouvrage font rarement intervenir la constante de Planck h, qui régit le monde quantique, les vitesses et énergies rencontrées demeurent petites comparées 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 étudiants 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 bénéfice 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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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 élaborer 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 scientifiques. 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’ouvrage Les laboratoires de recherche font appels à une technologie tellement sophistiquée 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 scientifique, voire de recherche, dont le point de déXIII

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Concevoir et réaliser des expériences de physique 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 fluides, les matériaux et ce sur la base de produits et matériels du quotidien et issus de la grande distribution. Il est tout-à-fait possible d’effectuer un travail personnel de qualité par des études de documents ou des simulations informatiques. L’objectif de cet ouvrage est uniquement d’aider les scientifiques débutants à réaliser des expériences originales, du cadrage du sujet à la mesure, en passant par la conception et la confection. Vous trouverez quelques éléments sur l’exploitation des résultats 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 expérimentale, puisqu’il contient en définitive une présentation originale et illustrée de la physique.

Origine de ce travail L’initiative qui a été prise d’introduire les TIPE (Travaux d’Initiative Personnelle 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’étudiants 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’expérimentation. La plupart des expériences menées avaient donc comme impératif d’être originales. Il s’agit de s’engager dans une véritable démarche scientifique 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’ailleurs, 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 scientifiques, 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. XIV

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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 laboratoire, 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 scientifique 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 scientifique 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 conséquence, et peut-être un enjeu, pourraient être d’habituer les jeunes à découvrir par eux-mêmes une infinité 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 grandeurs 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 photographies et des schémas. Des explications sur certaines notions scientifiques sont faites pour un niveau de débutant et peuvent intéresser des lecteurs dans le cadre d’une autoformation. 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. XV

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Concevoir et réaliser des expériences de physique

Je vous conseille de feuilleter l’ouvrage dans un premier temps, en regardant les clichés afin de voir ce qu’il est possible de faire. Les légendes des clichés indiquent le nom du travail concerné (par exemple TIPE Echangeur tubulaire) ; en fin d’ouvrage, un index alphabétique des travaux permet de renvoyer aux différentes 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, fluide, 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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Chapitre

Introduction et cadrage du sujet

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Concevoir et réaliser des expériences de physique

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 successives, dans le cadre de deux thèmes différents conduisant à des expériences totalement différentes, aussi bien dans la mise en œuvre que dans les systèmes de mesure.

TIPE - Billard Le tapis de billard a été collé sur un marbre conformément à la méthode pratiquée sur un véritable billard. C’est au cours du collage que la tentation a été forte d’étudier l’élasticité du tapis certainement 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 impliqués 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 - Arbalète Avec 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 laboratoire. Toutes les précautions de sécurité ont été prises en particulier pour se protéger des rebonds. Auparavant, une étude de la flexion des branches avait permis d’évaluer une vitesse de flèche d’environ 50 m/s. La mesure par un pendule balistique avait réservé des surprises au cours de la mise en œuvre.

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Concevoir et réaliser des expériences de physique

4.2 Exemple du banc de traction 4.2.1 Cahier des charges

Dans 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 fixer 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 2 Solution 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 afin 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 6 Un 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’atteindre 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 filetée par scellement chimique dans les murs ; Créer deux points de traction par des scellements chimiques dans un mur : une tige filetée de 10 mm a une résistance au cisaillement de 800 kg, il suffit 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 ; sections 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 4 Accroche d’éprouvette par serrage : plaque d’acier 5mm d’épaisseur + boulon 8 mm, perçage simple 11 mm pour accroche par manille manufacturée, patins de caoutchouc à essayer. Point 7 Plaque 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. 31

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Chapitre

Comment produire et mesurer des grandeurs mĂŠcaniques

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Concevoir et réaliser des expériences de physique 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 certains 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 principe On trouve facilement des treuils « 1 tonne » (10 000 N) ou « 2 tonnes ». Ci-contre, ce modèle 1 tonne est constitué d’un manche agissant comme un bras de levier sur un barillet, sur lequel s’enroule un câble en acier tressé de 5 mm. Le diamètre de l’enroulement est d’environ 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’opérateur (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. 76

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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. Peson On trouve facilement des pesons de toutes capacités inférieures à 250 kg qui peuvent travailler soit en traction, soit en compression. Pour une capacité supérieure, il a fallu chercher dans du matériel pour haras servant à la pesée des chevaux. 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 nécessairement 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’affichage indique 379 kg. Comment mettre en œuvre la traction Revenons sur un point particulier du montage : la fixation sur le bâti. Il faut bien prendre conscience que la fixation 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 fixer l’extrémité du treuil à un plafond : cela provoquerait à coup sûr l’arrachement de la fixation (une partie du hourdis béton de la fixation). Il est préférable de travailler en cisaillement sur une fixation 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 fixation 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.

De nombreux systèmes d’accroche très robustes existent dans le commerce.

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.

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Concevoir et réaliser des expériences de physique Pour visualiser les ondes Il 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 suffit de taper les lignes qui suivent. On peut alors faire varier les différents paramètres et les adapter à la configuration 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’eau

Les ondes acoustiques sont dues à une compression locale du fluide qui provoque 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 fluide. 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 soudures chacun à des fils de branchement (au générateur 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 (afin 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. 112

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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’épaisseur pour respecter les règles du ferraillage, voir « béton » page 241) avec une feuille de polystyrène (3 mm d’épaisseur, type sous-face de parquet ﬂottant) 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 refoulement et minimiser les turbulences au voisinage de la pompe. 5 : pièce d’angle en béton pour « arrondir » l’écoulement et minimiser les turbulences dans les angles 6 : pige ﬁletée 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 répartition 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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Mouvements de fluides

1.5.4 Réalisation

La paroi en béton est coulée dans un coffrage sommaire mais robuste. Les extrémités du coffrage sont constituées deux demi-tubes en PVC maintenus par des sangles de serrage (voir « béton »). Il ne faut pas sous évaluer la pression au pied du coffrage qui avoisine les 700 kg par m2 et mettre le nombre de serrejoints en conséquence. Le coffrage 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 afin d’éviter toute fissuration en cas de choc au cours des manipulations. Le tube carré pour accroche et la tige filetée sont posés après le coulage et maintenus par des pinces pendant le temps de prise. Toujours frapper légèrement le coffrage à l’aide d’un marteau pour « vibrer » le béton afin de chasser les bulles d’air. Après une semaine le béton est décoffré pour une utilisation 3 semaines après (fin de la prise définitive). Une feuille de polystyrène de 3 mm (type sous-face de parquet flottant) a été collée sous la paroi pour éviter de casser 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 définitif qui semble minimiser les turbulences. L’écoulement a été observé en ajoutant du sable fin à l’eau pour voir le mouvement de particules dans l’écoulement.

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Concevoir et réaliser des expériences de physique La notion de pression peut s’étendre tout naturellement 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 pression de 400 bars.

Ordre de grandeur On peut déjà afﬁrmer que la force subie par un volume (L3), de dimension caractéristique L, présente une surface L2 ; il subit donc une force de Δp L2 Δp pression typique par unité de volume 3 , soit . L L ⌬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, u z ), pour laquelle la pression croît en sens inverse de u z . Sur le schéma ci-contre, la pression dans le fluide 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 · u z , tandis que la face ␦S en z + dz subie une force p(z + ␦z) · ␦S · (– u z). 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 · u z. En divisant par ␦V = ␦z · ␦S, on obtient1 donc la force voluδp mique de pression2 : – u z . Elle est ainsi naturellement δz 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 ∂p u. la pression par rapport à z : fp , vol = – ∂z 3. En effectuant le même calcul sur les autres faces, on a la résultante volumique des forces de pression donnée par ⎛ ∂p ∂p ∂p ⎞ fp , vol = – ⎜ u x + uy + u z ⎟ , soit – grad(p) · u x ; grad(p) donne le sens de croissance de p. ⎝ ∂z ∂z ∂z ⎠

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Comment effectuer des expériences en thermodynamique

d’effectuer 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 calorifique du tube, et donc prendre un système d’étude de capacité calorifique 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 Thermocouples

Deux soudures (jonction) de deux métaux différents portées à deux températures différentes, délivrent une petite différence de potentiel (couplage thermoélectrique) : c’est l’effet 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 affichage ou /et une sortie en tension convertible en température. Le boitier contient des systèmes de compensation, mais il est souhaitable d’effectuer un étalonnage lorsqu’il délivre une tension. Attention, il ne faut pas rallonger les fils du thermocouple en soudant à l’étain des fils de cuivre, car cela ferait apparaitre des jonctions supplémentaires que le système de compensation ne saurait pas gérer.

TIPE - Échangeur Pour l’échangeur tubulaire le tube intérieur qui guide le ﬂux 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 ﬁne.

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Concevoir et réaliser des expériences de physique 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 vériﬁcation de l’étalonnage. • Ne pas rallonger les ﬁls.

3.3 Pour mesurer une température de surface Les transferts thermiques ont lieu de manière générale à trois dimensions impliquant une étude parfois très complexe. Expérimentalement, il peut être intéressant 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 surface

Une 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 thermique rendra la prise de température plus fiable.

TIPE Refroidissement par un disque

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 conducteur 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 température ambiante est de 21 °C au moment du cliché. De petites bandelettes thermoluminescentes pour terrariums permettent également de donner 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 fusion

Les molécules organiques ont des points de fusion très précis. Certains laboratoires 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 suffit de déposer un cristal du composé et d’observer à la loupe : s’il fond, c’est que la température 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 Peltier

Un effet intéressant de température de surface est l’élément à effet Peltier. Si une différence de température est appliquée entre les deux faces de l’élément 168

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Concevoir et réaliser des expériences de physique Une autre solution en régime variable intéressante à étudier est celle de l’alternance du chaud et du froid sur une face d’un milieu. C’est le cas de l’alternance jour et nuit qui induit un flux 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 ∂T ∂2 T dimension de l’équation de la chaleur ( = D 2 ) dans le milieu défini pour ∂t ∂x 2D x⎞ ΔT – x /δ ⎛ et T la zone x > 0 est : T(x,t) = Tmoyenne + e cos ⎜ wt – ⎟ , avec δ = ⎝ ω 2 δ⎠ 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 chiffrée 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 L de l’écart de température T donné par . C’est l’utilisation de ce retard (ou δω « déphasage » en le multipliant par ) qui est parfois utilisé dans certain dispositif de maisons passives. Il peut être intéressant d’observer et d’interpréter ce phénomène de propagation 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 fluides. On en distingue deux types : Ø la convection naturelle : le mouvement de fluide est provoqué « naturellement » par la poussée d’Archimède, puisque des écarts de températures provoquent les différences de masses volumiques ; Ø la convection forcée : le mouvement de fluide est provoqué par une action mécanique telle qu’un ventilateur. Les convections naturelles ou forcées ont des effets de transferts thermiques au sein même du fluide, et en surface de contact avec des solides. Nous allons plus nous intéresser aux effets de surface de la convection dans cette partie. Communément, on utilise une loi de proportionnalité pour modéliser l’échange thermique de puissance Pth du solide vers le fluide : Ø proportionnelle à la surface en contact S ; Ø proportionnelle à l’écart de température entre la surface du solide et celle du fluide.

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Chapitre 6

Comment effectuer des expĂŠriences en thermodynamique

Le coefficient de proportionnalitĂŠ est toujours notĂŠ h, et se nomme ÂŤÂ coefficient dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠchange conducto-convectif de surfaceÂ ÂťÂ : Pth=Â hÂ Ă&#x2014;Â SÂ Ă&#x2014;Â (Tsurface-Tfluide), h est en WÂ ÂˇÂ mâ&#x20AC;&#x201C;2Â ÂˇÂ Kâ&#x20AC;&#x201C;1, et hÂ Ă&#x2014;Â S est donc une conductance thermique. ÂŤÂ hÂ Âť dĂŠpend de la viscositĂŠ du fluide, de sa diffusivitĂŠ, de sa vitesse, et de lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠtat de surface du solide. Les diffĂŠrentes variations de ces paramĂ¨tres amĂ¨nent Ă de nombreuses idĂŠes dâ&#x20AC;&#x2122;expĂŠriences. Dans lâ&#x20AC;&#x2122;air au repos, le coefficient h de lâ&#x20AC;&#x2122;ordre de 5Â WÂ ÂˇÂ mâ&#x20AC;&#x201C;2Â ÂˇÂ Kâ&#x20AC;&#x201C;1, il est de lâ&#x20AC;&#x2122;ordre de 10 WÂ ÂˇÂ mâ&#x20AC;&#x201C;2Â ÂˇÂ Kâ&#x20AC;&#x201C;1 pour une vitesse de 1Â mÂ ÂˇÂ sâ&#x20AC;&#x201C;1. Lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠtude en fonction de la vitesse du vent peut se faire en utilisant une soufflerie (voir ÂŤÂ confection dâ&#x20AC;&#x2122;une soufflerieÂ Âť page 137). La mise en Ĺ&#x201C;uvre peut ĂŞtre simple si lâ&#x20AC;&#x2122;on utilise une boule de ferronnerie percĂŠe (au diamĂ¨tre de la sonde Pt100) jusquâ&#x20AC;&#x2122;Ă son centre. Il est impossible dâ&#x20AC;&#x2122;amorcer le La boule est ensuite enfichĂŠe sur le thermotrou dans une bille de roulemĂ¨tre aprĂ¨s avoir ĂŠtĂŠ portĂŠe Ă une cinquanment Ă bille car lâ&#x20AC;&#x2122;acier est trop taine de degrĂŠs. La bille se refroidit simpledur. Les boules de ferronnerie sont en acier plus tendre et on ment Ă lâ&#x20AC;&#x2122;air libre. Pour la plus grosse bille y trouve toujours une aspĂŠritĂŠ (rayon, r, de 2,5cm) le temps caractĂŠristique pour amorcer le perĂ§age. c du refroidissement1 a ĂŠtĂŠ de lâ&#x20AC;&#x2122;ordre Ď&#x201E; = boule , hS oĂš S est la surface dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠchange thermique de la boule (4 r2). La mesure prĂŠalable de la capacitĂŠ calorifique de la boule permet de dĂŠduire une ĂŠvaluation de h. Pour cette boule lâ&#x20AC;&#x2122;ordre de grandeur de mesurĂŠ est de 2,3Â ÂˇÂ 103Â s. On peut se poser la question de la tempĂŠrature de la boule. Lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠchange en surface dĂŠpend la tempĂŠrature de la boule, mais vaut-elle bien celle au cĹ&#x201C;ur de la bouleÂ ?

Ordre de grandeur On peut considĂŠrer que la tempĂŠrature de la boule est uniforme si le temps de mise Ă lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠquilibre de la boule par diffusion thermique ( tdiffusion) est faible devant le temps c boule caractĂŠristique des pertes thermiques par convection tconvection č&#x2030;? . On peut natuhS Îťacier . Sa valeur donne lâ&#x20AC;&#x2122;ordre de grandeur rellement utiliser la diffusivitĂŠ D = Ď acier Âˇ cacier 2 de la longueur caractĂŠristique au carrĂŠ (ici rboule ) divisĂŠ par le temps caractĂŠristique 2 rboule . tdiffusion ; donc tdiffusion âŹ&#x192; D â&#x20AC;&#x201C;1 On a cacier č&#x2030;? 450 J Âˇ kg Âˇ Kâ&#x20AC;&#x201C;1, acier č&#x2030;? 7,5 Âˇ 103 kg Âˇ mâ&#x20AC;&#x201C;3, acier č&#x2030;? 50 W Âˇ mâ&#x20AC;&#x201C;1 Âˇ Kâ&#x20AC;&#x201C;1, rboule = 2,5 Âˇ 10â&#x20AC;&#x201C;2 m et h č&#x2030;? 10 W Âˇ m-2 Âˇ Kâ&#x20AC;&#x201C;1. Donc tconvection č&#x2030;? 2,8 Âˇ 103 s (conďŹ rmĂŠ par lâ&#x20AC;&#x2122;expĂŠrience) et tdiffusion č&#x2030;? 40 s. Le temps dâ&#x20AC;&#x2122;homogĂŠnĂŠisation de la tempĂŠrature par diffusion est donc beaucoup plus court que celui des pertes par convection. On peut donc considĂŠrer que la tempĂŠrature est uniforme.

dT = â&#x20AC;&#x201C;hS (T â&#x20AC;&#x201C; Tair ) , dt C +Â Tair, oĂš Ď&#x201E; = boule est le temps caractĂŠristique hS

1. Lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠquation vĂŠrifiĂŠe par la boule est du typeÂ Cboule dont la solution estÂ : T(t) = (TinitialeÂ â&#x20AC;&#x201C;Â Tair)eâ&#x20AC;&#x201C;t/ dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠvolution de la boule dans ces conditions.

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Concevoir et réaliser des expériences de physique

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 ﬁletées. La ﬁxation 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 garder 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 sauteuse, 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’assemblage des caissons peut être réalisé par 8 tiges ﬁletées 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 caissons/échangeur, et avec une plaque de polystyrène en haut de l’échangeur.

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Chapitre

Exploitation des signaux ĂŠlectriques

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Concevoir et réaliser des expériences de physique 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 exploitable ou un affichage. 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, (thermomètre, hygromètre…) sont le plus souvent électriques car il s’agit généralement d’une tension. Celle-ci est souvent inexploitable telle-quelle, il faut l’amplifier, la filtrer, la comparer à une tension de référence… Ce sont quelques-unes de ces opérations qui sont présentées dans ce chapitre.

POUR COMPRENDRE L’ÉLECTRONIQUE

1.1 Les potentiels et les courants L’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 phénomènes 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 définition (ou la signification) 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 fluides » 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 fils conducteurs. L’intensité est la quantité de charge qui traverse la section du fil par seconde. Il est le même en n’importe quel point du fil2 et est indiqué par une flèche. L’électricité a sa propre symbolique : la symbolique d’un fil 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 fil conducteur et représente une quantité de charge qui le traverse par unité de temps et ceci, dans le sens indiqué par la flèche 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 différence de potentiel suffisamment 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 afin de négliger les effets de propagation.

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Chapitre 7

Exploitation des signaux électriques

On peut préciser que des charges positives qui traversent le fil dans le sens de la flèche sont équivalentes à des charges négatives qui le traversent dans l’autre sens1. Par ailleurs, un fil électrique a la propriété d’avoir le même potentiel partout. Revenons à l’énergie. Comme il a été vu dans le « Pour comprendre le principe des résistances chauffantes » page 181, ce n’est pas le potentiel qui compte, mais la différence 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 mathématique 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 électro-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 effet 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 amplifié par un amplificateur 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 ordinateur par l’intermédiaire d’une carte d’acquisition.

Cette tension ( vbrute) a donc le plus souvent besoin d’être traitée : amplifiée (augmentée), débarrassée de ses parasites (on dit « filtrée »), comparée à une autre, etc. On obtient alors vtraitée.

1. Comme pour le débit de masse, le courant est le flux 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 flèche du courant a en fait la direction de la normale à la section du fil à travers laquelle on considère le flux de j .

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Concevoir et réaliser des expériences de physique « 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 fichier texte .txt (voir figure). Elles peuvent être exploitées dans un tableur classique comme Excel, par exemple.

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Chapitre

Les matĂŠriaux et leur mise en Ĺ&#x201C;uvre

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Concevoir et réaliser des expériences de physique

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 coffrage. Ils sont denses (environ 2,5 tonnes au m3), peu sensibles à l’eau, très résistants.

3.1 Présentation Le ciment est un silicate d’alumine déshydraté (initialement obtenu par chauffage). 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 propriétés 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 matériau, en participant à la liaison entre chaque grain ; on parle de « prise » du béton. La prise totale conférant au béton ses propriétés définitives 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, 1973 2. 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 fin 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 Propriétés Chacun 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 cependant 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’édifices. 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’effet 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.

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Chapitre 8 5

Les matériaux et leur mise en œuvre

LE SABLE

Le sable pourrait avoir sa place dans le chapitre consacré aux fluides. 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 constituent. Le sable de maçonnerie s’appelle de la « mignonette » et a une granulométrie de 0,5 mm.

5.1 La granulométrie et son utilisation Un passage dans une série de tamis (que l’on trouve dans tous les laboratoires de SVT) permet d’extraire des sables plus fins, 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 fins 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/filtration 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. Aﬁn 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 sable Le sable peut être décrit et utilisé comme un fluide (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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Chapitre

Outillage minimal et utilisation

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PONCEUSE À BANDE

L’usage premier de la ponceuse à bande est la réalisation d’un travail de finition sur des pièces de bois rabotées. Pour cela on utilise des bandes de papier abrasif au grain de plus en plus fin au fil 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 retournée pour poncer directement en pression sur la bande. Cette position est utile pour des ajustages en courbe, la réalisation de profils, ou de petits ponçages sur les coupes elles-mêmes.

TIPE - Auget Après des découpes transversales puis longitudinales à la disqueuse, les bords du tube PVC ont été rapidement usinés au touret à meuler puis afﬁnés 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 profil en bois.

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François Petitet-Gosgnach

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François Petitet-Gosgnach

Concevoir et réaliser des expériences de physique Initiation à la recherche Application aux TIPE, TPE et MPS Projets L1 et L2 Préface de Pierre Léna