Brevet FR2805646A1 — publié le 20010831

présente invention concerne un dispositif d'expérimentation à but pédagogique destiné à illustrer la loi des parfaits. Les cours de physique des lycées prévoient classiquement l'étude des gaz parfaits, en particulier la loi de Mariotte que l'on peut traduire par la relation P.V = k. T, où P est la pression du gaz, V le volume, et T température. Les démonstrations expérimentales de cette loi sont en général basées sur l'illustration du fait que produit PV est constant à température constante, ou encore selon loi dite des gaz, que le produit PV est une fonction de la température à volume constant. a déjà proposé un dispositif d'expérimentation à but pédagogique destiné à illustrer la loi des gaz parfaits, réalisé sous la forme d'un pistolet agissant sur un piston de seringue qui est coulissant dans un corps tubulaire, l'actionnement se faisant par une gâchette. Un tel dispositif présente cependant, malgré l'avantage de sa simplicité, de nombreux inconvénients il apparaît en effet extrêmement imprécis, et difficile à régler. En outre, il est délicat d'inverser le sens de déplacement du piston. Enfin, les efforts développés restent irrémédiablement faibles. I1 existe donc un besoin d'un dispositif d'expérimentation de structure simple qui permette d'illustrer de façon aussi démonstrative que possible la loi des gaz parfaits. L'invention vise précisément à résoudre ce problème, en concevant un dispositif d'expérimentation à but pédagogique à la fois démonstratif, fiable, précis, et commode à régler. Ce problème est résolu conformément à l'invention, grâce à un dispositif comportant - une seringue à corps tubulaire et à piston délimitant une chambre de volume variable, ledit piston présentant sur la plus grande partie de sa longueur un filetage extérieur et se terminant par une molette de man#uvre en rotation ; - un support fixe maintenant corps tubulaire formant écrou pour le piston fileté ; - un curseur mobile indicatif du volume de la chambre, ledit curseur étant agencé à l'extérieur du corps tubulaire, en étant lié en translation piston fileté sans être entraîné en rotation par celui-ci ; et - des moyens d'acquisition de mesure et/ou affichage et/ou d'enregistrement reliés par un tuyau souple à l'embout de sortie du corps tubulaire. Le système vis-écrou ainsi utilisé permet d'avoir déplacements très précis, et faciles à régler. En plus, il devient aisé d'inverser le sens déplacement du piston. Il convient toutefois de veiller à éviter tout risque d'endommagement du dispositif suite d'une élévation anormale de la pression lorsque le piston se rapproche de sa position de fin de course. A cet effet, il est prévu selon l'invention un moyen mécanique de protection contre une surpression dans la chambre à bas volume de celle-ci. De préférence alors, ce moyen mécanique de protection est constitué par une butée escamotable portée par le support et coopérant avec la molette de man#uvre pour limiter la course d'enfoncement du piston fileté dans le corps tubulaire. Cette butée escamotable est de préférence réalisée sous la forme d'un volet pivotant articulé sur le support pour pivoter entre une position active de butée et une position de dégagement, ledit vole présentant une nervure venant en appui contre ledit support dans la position active et pouvant être bloqué dans ladite position active par un moyen d'encliquetage débrayable. Ainsi, si le manipulateur force sur la molette de man#uvre, butée résiste parfaitement aux efforts de compression, sans risque que ces efforts ne cassent la partie fragile de ladite butée qui est l'axe de pivotement de celle-ci. De préférence encore, le curseur mobile est réalisé sous la forme d'une réglette à index, et il est guidé en coulissement par le support. En particulier, curseur mobile présente un étrier agencé entre le support et la molette de man#uvre du piston, ledit étrier venant se clipser sans serrage sur une portée lisse piston acente à ladite molette. Il sera avantageux de prévoir que le support soit monté sur un panneau portant des graduations associées au curseur mobile, et supportant également les moyens associés d'acquisition de mesure, d'affichage ou d'enregistrement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre et des dessins annexés, concernant un mode de réalisation particulier, en référence aux figures où - la figure 1 illustre en perspective un dispositif d'expérimentation à but pédagogique selon l'invention, ici comportant une butée escamotable en position active, et le piston fileté étant dans position d'enfoncement maximum ; - les figures 2, 3, 4 sont des vues respectivement en élévation, de dessus et bout du dispositif de la figure 1 ; - la figure 5 est une vue en perspective illustrant le piston fileté du dispositif ; - la figure 6 est une vue en perspective du curseur équipant ledit dispositif ; - les figures 7 et 8 sont des vues en perspective, respectivement éclatées et réunies, du support fixe équipant le dispositif ; - les figures 9 et 10 sont des vues en perspective du volet pivotant constituant la butee escamotable de protection contre les surpressions ; - la figure 11 est une coupe de détail par un plan horizontal passant par l'axe de la seringue, et montrant moyen d'encliquetage associé au blocage du volet pivotant précité ; - la figure 12 est une vue partielle en perspective, avec un éclatement d'une partie du support précité permettant de montrer le maintien du corps de seringue et le volet pivotant encliqueté dans sa position active ; - la figure 13 est une vue en perspective illustrant le montage d'ensemble sur un panneau supportant différents appareillages associés. On va maintenant décrire plus en détail les différents composants du dispositif d'expérimentation à but pédagogique selon l'invention, en référence aux figures 1 à Le dispositif d'expérimentation qui est destiné à illustrer la loi des gaz parfaits est noté 10, et il comporte tout d'abord une seringue 11 dont le corps tubulaire 12 présente un embout de sortie 13 permettant le branchement d'un tuyau souple, et dont le piston 14 delimite une chambre de volume variable notée 16. Le piston 14 comporte un bouchon d'extrémité 15 coulissant avec étanchéité dans le corps tubulaire 12, en delimitant avec le fond du corps tubulaire la chambre précitée. Le piston 14 présente en outre, sur la plus grande partie de sa longueur, un filetage extérieur 17, suivi par une portée lisse 18 de faible longueur axiale, piston se terminant enfin par une molette de man#uvre rotation 19. Le dispositif d'expérimentation comporte également un support fixe 20 qui sert à maintenir le corps tubulaire 12, et qui forme en outre écrou pour le piston fileté 14. Sur les figures 1 à 4, le support 20 est fixé à un panneau 40. I1 suffit alors au manipulateur de faire tourner la molette de manceuvre 19 dans le sens adéquat pour faire varier le volume de la chambre 16. La forme genérale du piston 14 est mieux visible sur la vue isolée de la figure 5. On constate en particulier qu'après une extrémité 15' en croisillon (sur laquelle vient s'enficher le bouchon 15 en caoutchouc), on trouve un filetage 17 qui est tronqué au niveau de deux plans parallèles, pour diminuer les frottements dans le support formant écrou 20. Le détail de la figure 12 permet de mieux distinguer le mode de maintien du corps de seringue dans le support fixe 20 : le support 20, réalisé en deux demi-blocs complémentaires, présente en effet une fente transversale 25 destinée à recevoir le disque 12.1 du corps tubulaire 12 de la seringue. Les figures 7 et 8 permettent de mieux distinguer la partie centrale du support et en particulier son passage central fileté 26. Par suite, la seringue 11 est parfaitement maintenue devant le panneau 40, et on a prévu ici que l'axe X de ladite seringue est positionné horizontalement, ce qui ne constitue naturellement qu'un exemple. Le dispositif 10 comporte en outre un curseur mobile 21 indicatif du volume de la chambre 16. Le curseur 21 est agencé à l'extérieur du corps tubulaire 12, et il est lie en translation au piston fileté 14 sans être entraîné en rotation par celui-ci. Ainsi que cela est mieux visible sur la figure 6, on constate que le curseur mobile 21 est ici réalisé sous la forme d'une réglette 22 allongée, présentant un index anguleux 24 au voisinage d'une extrémité libre, son autre extrémité portant un: étrier 23 dont les deux branches délimitent un passage bordé circulairement et concernant un angle d'environ 270 . Lorsque le curseur 21 est monté en position sur le piston 14, l'etrier 23 est agencé entre le support 20 et la molette de manceuvre 19 du piston 14, et les deux branches de l'étrier 23 viennent se clipser sans serrage sur la portee lisse du piston 14 qui est adjacente ladite molette. Ainsi, lors de la rotation dans un sens ou dans l'autre du piston fileté 14, le curseur mobile 21 se déplace axialement en restant parallèle au plan du panneau 40. panneau 40 porte des graduations 41 indicatrices du volume de la chambre 16, graduations ici en ml, la lecture directe étant donnée par l'index 24 du curseur mobile 21. On constate également que le support 20 présente une fente 27 du côté du panneau 40 : cette fente permet de guider en coulissement le curseur mobile 21 lors de son déplacement axial en translation. A titre indicatif, on pourra faire en sorte qu'une rotation d'un tour de la molette de manoeuvre 19 correspond à un déplacement axial de 10 millimètres pour le piston fileté, ou encore un volume de 10 ml. Ainsi que cela est aisé à comprendre, lorsque l'on arrive à une position d'enfoncement du piston dans le corps tubulaire qui se rapproche de l'enfoncement maximal, le volume de la chambre 16 devient très faible, de sorte que la pression est très élevée ( le produit P.V étant essentiellement constant). Il existe donc un risque de destruction du matériel en cas de surpression, si le manipulateur enfonce trop loin le piston fileté dans le corps tubulaire, sans faire attention, lors de la manoeuvre de la molette 19. Dans la pratique, il est intéressant de limiter la pression à 4000 hPa, ce qui correspond environ à un volume minimal de 15m1 pour la chambre 16. Il apparaît dès lors très avantageux de prévoir un moyen mécanique de protection contre une surpression dans la chambre 16 à bas volume de celle-ci. En l'espèce, ce moyen mécanique, noté 30, est constitué par une butée escamotable portée par le support 20 et coopérant avec la molette de manoeuvre 19 pour limiter la course d'enfoncement du piston fileté 14 dans le corps tubulaire 12. Sur les figures 1 4, on constate que la butée escamotable est contactée au niveau de son bord libre 33 par la face en regard de la molette de manoeuvre 19. Si le manipulateur continue à faire tourner la molette 19 dans le sens de l'enfoncement du piston 14, il rencontre une résistance puissante donnée par la butée escamotable 30, de sorte qu'il arrête d'exercer cet effort qui pourrait s'avérer dangereux. La butée escamotable 30 est ici réalisée sous la forme d'un volet pivotant, avec une partie charniere 31 présentant des tétons d'extrémité définissant l'axe de pivotement Z, et une partie principale 32. Sur les figures 9 et 10, on constate que la partie principale 32 présente deux nervures 33,34 qui interviennent dans la position active de la butée escamotable : en effet, la nervure 34 est alors en appui contre la face arrière du support 20, et la nervure 33 est en contact avec la face en regard de la molette 19, de sorte que l'on évite de communiquer un effort excessif au niveau de l'axe de pivotement du volet pivotant, qui risquerait de casser le volet. En outre, le volet pivotant précité 30 peut être bloqué dans sa position active par un moyen d'encliquetage débrayable. On constate en effet que le volet pivotant 30 présente une languette centrale 35 munie en arrière de celle-ci d'un ergot saillant 36 qui est reçu dans une fente 29 du support 20 en position active de la butée escamotable. On évite ainsi tout risque de dégagement intempestif de la butée escamotable de sa position active en cours de manipulation. Si l'on veut faire pivoter le volet 30 pour l'amener dans sa position de dégagement, il suffit alors d'insérer l'extrémité d'un outil, tel qu'un tournevis, au niveau d'une fente en biseau 37 prévue à cet effet en extrémité du volet pivotant, ce qui permet alors de dégager la pointe de l'ergot saillant 36 hors de la fente associée 29, débrayant ainsi le moyen d'encliquetage. La fente 29 précitée est également bien visible sur les figures 7 et 8. Le dispositif d'expérimentation à but pédagogique selon l'invention comporte enfin des moyens d'acquisition de mesure et/ou d'affichage et/ou d'enregistrement qui sont reliés par un tuyau souple l'embout de sortie 13 du corps tubulaire 12. I1 sera avantageux de prévoir un montage du support 20 sur un panneau 40 de grande surface, afin que les inscriptions ou indications chiffrées soient bien visibles par toute la classe. La figure 13 illustre un tel montage, avec un panneau 40 maintenu verticalement par deux piétements à vis 42. Le panneau 40 présente comme précédemment des graduations 41 indicatrices du volume (en ml) de la chambre 16. On distingue également la présence d'un tuyau souple 43 reliant l'embout de sortie 13 du corps tubulaire 12 à un boîtier noté 50 qui correspond à l'acquisition de mesure et éventuellement aussi à l'enregistrement. Le boîtier 50 est monté en arrière du panneau, et on ne distingue en face avant que des éléments symboliques ou de branchement de fiches de connexion, correspondant en 51 à une indication de volume en ml, en 52 à une indication de pression en hPa (correspondant à la pression régnant dans la chambre de la seringue, grâce au branchement direct du tuyau 43 sur une prise associée), et en 53 à une indication de température en degrés Celsius. On a illustré également la présence de moyens d'affichage, avec un afficheur 54 capable d'indiquer soit la température en C, soit le volume en ml, selon la position d'un inverseur associé 55, et un afficheur 56 capable d'indiquer la pression en hPa régnant dans la chambre de gaz 16. Il est alors aisé de vérifier les variations de la pression ou de la température consécutives à une variation du volume donnée par man#uvre en rotation de la molette 19. On est ainsi parvenu à réaliser un dispositif d'expérimentation à pédagogique qui est à la fois précis, facile à régler, et permet une inversion aisée du sens de déplacement. est aussi possible de manipuler le dispositif avec un effort faible, sans risque de génération de surpressions dangereuses. L'invention est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toute variante reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques essentielles énoncées plus haut. REVENDICATIONS 1.Dispositif d'expérimentation à but pédagogique destiné à illustrer la loi des gaz parfaits, caractérisé en qu'il comporte - une seringue (11) à corps tubulaire et à piston (14) délimitant une chambre (16) de volume variable, ledit piston présentant sur la plus grande partie de sa longueur un filetage extérieur (17) et se terminant une molette de man#uvre en rotation (19) ; - un support fixe (20) maintenant corps tubulaire (12) et formant écrou pour le piston fileté ); - un curseur mobile (21) indicatif du volume de la chambre (16), ledit curseur étant agencé à l'extérieur du corps tubulaire (12), en étant lié en translation piston fileté (14) sans être entraîné en rotation par celui-ci ; - des moyens (50 à 56) d'acquisition de mesure et/ou d'affichage et/ou d'enregistrement reliés par un tuyau souple (43) à l'embout de sortie (13) du corps tubulaire (12). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen mécanique (30) de protection contre une surpression dans la chambre (16) à bas volume de celle-ci. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen mécanique de protection est constitué par une butée escamotable (30) portée par le support (20) et coopérant avec la molette de man#uvre (19) pour limiter la course d'enfoncement du piston fileté (14) dans le corps tubulaire (12). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la butée escamotable (30) est réalisée sous la forme d'un volet pivotant (31,32) articulé sur le support (20) pour pivoter entre une position active de butée et une position de dégagement, ledit volet présentant une nervure (34) venant en appui contre ledit support dans la position active et pouvant être bloqué dans ladite position active par un moyen d'encliquetage débrayable (29,36). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le curseur mobile (21) est réalisé sous la forme d'une réglette (22) à index (24), et il est guidé en coulissement par le support (20). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le curseur mobile (21) présente un étrier (23) agencé entre le support (20) et la molette de man#uvre (19) du piston (14), ledit étrier venant se clipser sans serrage sur une portée lisse (18) du piston (14) adjacente à ladite molette. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le support (20) est monté sur un panneau (40) portant des graduations (41) associées au curseur mobile (21), et supportant les moyens associés (50 à 56) d'acquisition de mesure, d'affichage ou d'enregistrement.