La terminologie pédagogique use des vocables tels que: méthode scientifique ou méthode expérimentale, démarche scientifique ou démarche expérimentale, mais aussi expérimentation, expérience, manipulation et même manip pour caractériser… Objectif de l’exposé une clarification de ces substantifs au plan didactique

Méthode expérimentale ou démarche expérimentale La méthode renvoie à un itinéraire balisé par des étapes prévisibles dans un parcours intellectuel. Il y eut un "Discours de la méthode". La méthode avec un m majuscule est d'abord un concept philosophique. La démarche, qui fait partie du langage commun renvoie à un cheminement, à une tentative pour réussir une entreprise, sans a priori d'étapes prédéterminées. La démarche est davantage du côté du tâtonnement.

Méthode expérimentale ou démarche expérimentale Ainsi pourrait-on parler de méthode expérimentale au plan pédagogique lorsque l'itinéraire que les chercheurs auront à emprunter est largement prédéterminé. Une démarche expérimentale à l'inverse rendrait compte d'une conduite de la pensée plus vagabonde.

Méthode expérimentale ou démarche expérimentale L'expérimentation constitue une étape au cours de la méthode (ou de la démarche) expérimentale. au cours de l’expérimentation on met en train une expérience. L'expérimentation constitue le processus qui conduit à partir de l'émission de l'hypothèse à la réalisation d'une expérience et à l'analyse de ses résultats.  Ainsi l'expérimentation est à la méthode expérimentale ce que le temps de la rédaction est au travail d'écriture. L'expérience L'expérimentation correspond au processus, l'expérience au produit.  elle est à l'expérimentation ce que le texte couché sur le papier est au travail d'écriture : la face visible d'une activité intellectuelle souterraine généralement beaucoup plus riche et dont elle ne conserve qu'une partie. Et comme le travail d'écriture peut entraîner une refonte de l'activité qui l'a généré, les résultats de l'expérience peuvent interagir sur la méthode. La manipulation, parce qu'elle met l'accent sur le caractère manuel de l'activité, valorise la dimension psycho-motrice de l'expérimentation. Celle-ci est particulièrement évidente pour certaines "manips" au matériel contraignant.

l'observation conduit à la mise en œuvre de la phase 4 seulement ; donc il y a lieu de distinguer l'expérimentation, l'observation et l'exploration. Ces trois notions voisines ont en commun quelques étapes de la démarche ci-dessous : 1. On isole un domaine de l'espace-temps, aux parois réelles ou fictives : le laboratoire ; 2. Selon un protocole de préparation on le remplit de divers éléments (êtres vivants, substances chimiques...) qui constituent le système à étudier ; 3. On perturbe ce système en lui envoyant à partir de sources dûment contrôlées des flux de matière ou d'énergie ; 4. On répertorie les réponses du système grâce à des appareils spécifiés dans le protocole d'expérience. l'observation conduit à la mise en œuvre de la phase 4 seulement ; l'exploration conduit à la mise en œuvre de la phase 1, 2 et 4 ; l'expérimentation conduit à la mise en œuvre de la phase 1, 2, 3 et 4.

Principe de la méthode expérimentale : Elle se déroule en 4 temps: 1. On pose un problème (la plupart du temps celui-ci se pose à partir d'observations) qui est le plus souvent une question. 2. Elaboration d'une hypothèse par induction ou par déduction: il est préférable que cette hypothèse soit formulée comme une affirmation et non comme une question pour éviter de confondre le problème avec l'hypothèse. L'hypothèse est en fait la réponse proposée au problème de la première étape. 3. Réalisation d'une ou plusieurs expériences ou observations pour tester l'hypothèse: chaque expérience doit comporter des conditions expérimentales précises, un témoin et conduire à des résultats qui sont interprétés. Une expérience peut être une observation complémentaire. 4. Jugement sur la validité de l'hypothèse (l'hypothèse est confirmée expérimentalement, validée ou au contraire est infirmée ou invalidée) et déclaration (déduction) d'une affirmation ou loi qui généralise l'hypothèse (cette loi est donc vraie en tant qu'expérimentable, démontrée par l'expérience mais il reste toujours une partie spéculative, incertaine: toute loi peut être invalidée par une unique expérience qui la remet en cause; on peut même aller jusqu'à dire que c'est finalement le propre de toute loi que d'être remis en cause un jour ou l'autre...): les lois sont ensuite regroupées dans des théories scientifiques (modèle).

Protocole d'expérimentation Le protocole d'expérimentation regroupe la description des conditions et du déroulement d'une expérience ou d'un test. La description doit être suffisamment claire afin que l'expérience puisse être reproduite à l'identique et il doit faire l'objet d'une analyse critique pour notamment détecter d'éventuels biais.

Le protocole expérimental

Instruments fréquemment utilisés en mécanique 1. Analyse structurale Ces méthodes consistent à déterminer la structure des cristaux et des molécules. Elles sont utilisées en chimie analytique, pour étudier la synthèse des molécules (synthèse organique, industrie pharmaceutique), en sciences des matériaux… Résonance magnétique nucléaire Absorption des rayons X Diffraction des rayons X Diffraction des neutrons Spectroscopie Auger

Instruments fréquemment utilisés en mécanique 2. Essais mécaniques Les essais mécaniques ont pour rôle de déterminer la capacité d'un matériau ou d'une structure complexe à se déformer (mise en forme, usinage, rhéologie), à s'user (tribologie), ou à casser. Cela concerne bien sûr les sciences des matériaux, mais aussi la biomécanique. Essai de traction, essai de compression, essai de flexion. Essai de résilience, Mouton Charpy Mesure de dureté essais de viscosité (fluides), essais d'écoulement (poudres, suspensions), essais de perméabilité (fluide à travers un milieu poreux, membrane) essais de fluage (déformations différées dans le temps sous sollicitation constante) essais de fissuration (propagation de fissures) essais de fatigue (rupture par des sollicitations répétées, sous l'influence de facteurs physico-chimiques) essais de crash test (véhicule lancé contre un obstacle) essais de résistance aux séismes (bâtiments, ouvrages d'art) …

Mesure des paramètres: conductivité, Métrologie thermique MESURE DES PROPRIETES THERMIQUES Mesure de la température Méthode de la plaque chaude gardée Méthode du fil chaud Méthode flash Méthode du plan chaud semi-infini Méthode du plan chaud avec mesure de deux températures Méthode du ruban chaud Méthode du hot disc Méthode de la mini-plaque chaude Mesure des paramètres: conductivité, diffusivité, effusivité…

Métrologie thermique Mesure de la température Thermomètre à colonne liquide Thermocouple Thermistance Résistance de platine Détecteur IR Caméra IR Choix d’une méthode de mesure

Métrologie thermique 1) Mesure de la température 1.1. Thermomètre à colonne liquide On utilise la dilatation linéaire d’un liquide en fonction de la température. 1.2. Thermocouple On utilise l’effet Seebeck : lorsque les deux jonctions de deux fils de nature différentes sont portées à des températures différentes, il naît une différence de potentiel qui croît avec la différence de température :

Métrologie thermique Mesure de la température 1.2. Thermocouple Des tables donnent pour chaque type de thermocouple la tension U(T) délivrée lorsque la jonction froide est à 0°C et la jonction chaude à T. La fonction U(T) peut être linéarisée sur des intervalles réduits de température ainsi que le montre le tableau 3.1

Tableau1 : Valeur de U(T) pour un thermocouple de type T (Cuivre-Constantan).

Les types de thermocouples Les principaux types de thermocouples et la gamme de température dans laquelle ils sont utilisables sont : Type T : - 185 à +300 °C Cuivre-Constantan Type K : 0 à 1100 °C Nickel-Nickel Chrome Type R : 0 à 1600°C Platine-Platine Rhodium Type G : 20 à 2360°C Tungstène-Tungstène Rhenium

À noter… Lors de mesures en régime transitoire rapide, il est important que le thermocouple présente un temps de réponse le plus faible possible. Plus les fils sont fins, plus le temps de réponse est faible, on a donc toujours intérêt à utiliser les fils les plus fins possibles. On utilise souvent des fils d’un diamètre de l’ordre de 0,1mm achetés en bobine présentant un temps de réponse de l’ordre de 0,1s.

Métrologie thermique 1) Mesure de la température 1.3. Thermistance C'est un composant passif en matériau semi-conducteur. Si l'auto-échauffement par effet Joule est négligeable, sa résistance varie avec la température selon la loi : - Les températures sont exprimées en K, B et T0 sont des constantes caractéristiques du composant. - Comme la résistance diminue avec la température on nomme parfois les thermistances résistances CTN (pour coefficient de température négatif). - La caractéristique courant-tension présente pour les courants faibles une partie linéaire puis un plateau et enfin pour les courants plus intenses une zone à pente négative qui correspond à l'auto-échauffement du composant. La gamme d’utilisation est -50°C à 200°C.

Tab.2 : Valeur de la résis. d’un fil de platine en fonction de T Métrologie thermique 1) Mesure de la température 1.4. Résistance de platine On l’utilise sous forme de fil dont la résistance augmente quasi-linéairement avec la température, on a pour une résistance Pt100 : Tab.2 : Valeur de la résis. d’un fil de platine en fonction de T La gamme de température dans laquelle ils sont utilisables est de -200°C à +850°C.

Métrologie thermique 1) Mesure de la température 1.5. Détecteur IR Des détecteurs optiques (photovoltaïques) de quelques mm2 génèrent un courant quand ils sont exposés à un rayonnement infrarouge. Placés proches de la surface dont on veut mesurer la température, ils délivrent un signal proportionnel à la température de surface si les écarts de température sont faibles (linéarisation possible du flux radiatif proportionnel à T4). Leur intérêt : permettre une mesure sans contact donc sans perturbation de la surface dont on veut mesurer la température. Ils présentent également un temps de réponse pratiquement nul ce qui permet d’étudier des phénomènes transitoires de quelques ms. Ils nécessitent d’être maintenus à température constante la plus basse possible par utilisation d’azote liquide ou d’élément Peltier, leur coût est relativement élevé. Exemple : Les détecteurs J10D sont des photodiodes à l'Antimoniure d'Indium (InSb) de haute qualité fournissant une excellente performance dans la région de longueur d'onde de 1 à 5,5 μm. La technologie mono cristal à jonction p-n produit des détecteurs de grand vitesse et de faible bruit avec une excellente uniformité, linéarité et stabilité. Applications Imagerie Thermique, Guidage par Infrarouge Radiomètres, Spectrométrie

Métrologie thermique 1) Mesure de la température 1.6. Caméra IR Ces cameras permettent de mesurer non plus une température ponctuelle mais un champ de grandeurs proportionnelles à la température. Un calibrage à partir d’un corps à température contrôlée et d’émissivité connue est nécessaire pour remonter aux températures. Le nombre d’informations à traiter devient très important et nécessite d’utiliser des techniques de traitement du signal performantes. Les applications sont multiples : détection de défauts dans des plaques, mesure de champ de diffusivité thermique…

Métrologie thermique 1) Mesure de la température 1.7. Choix d’une méthode de mesure Dans les applications de métrologie thermique instationnaire, le thermocouple présente l’avantage d’une taille plus faible par rapport à la thermistance et la possibilité de mesurer une température ponctuelle par rapport à la résistance de platine qui est plutôt utilisée pour mesurer une température moyenne sur une ligne ou sur une surface. La grandeur à mesurer est une tension mesurable facilement à condition toutefois de disposer d’un bon amplificateur compte tenu des faibles valeurs (de l’ordre de 0,04mV par °C) à mesurer.