Description du banc
Le Banc de compression-traction Jeulin (Réf. 322087) est un équipement conçu pour réaliser des essais mécaniques sur des matériaux ou des composants.
Il permet de mesurer avec précision les forces appliquées et les déformations résultantes.
C'est un outil pédagogique modulable qui permet de relier la théorie de la résistance des matériaux à la pratique expérimentale
Destiné aux lycées et à l'enseignement supérieur, il offre une plateforme complète pour étudier le comportement des matériaux soumis à différentes sollicitations.
- Étude de la loi de Hooke (déformation élastique).
- Détermination du module de Young (rigidité des matériaux).
- Analyse des limites élastique et à la rupture (comportement plastique).
- Essai de flexion (pour les matériaux fragiles ou composites).
- Comparaison de matériaux (acier, aluminium, PVC, etc.).
Banc de traction-compression
Concept
Une solution didactique "Open Source" pilotée par Arduino pour l'analyse structurelle, la résistance des matériaux et la dynamique mécanique.
Open source
Pilotage via Arduino Uno et Shield dédié. Code accessible et modifiable.
Polyvalent
Essais de traction, compression, flexion, hystérésis, dureté, poussée d'Archimède et tension superficielle.
Précision
Capteur de force jauge de contrainte et mesure de déplacement précise.
Sécurité
Limitation de force et de course pour une utilisation élève sécurisée.
Rôle
Ce banc permet notamment de :
- Comprendre le comportement mécanique des matériaux : identifier les zones élastiques, plastiques, la striction et le flambage selon le type de sollicitation.
- Appliquer les concepts théoriques de la résistance des matériaux : contrainte (σ), déformation (ε), module de Young (E), coefficient de sécurité (s).
- Visualiser les phénomènes de fatigue et hystérésis dans des matériaux élastiques et viscoélastiques.
- Développer la maîtrise de la chaîne d'information et d'énergie : conversion mécanique-électrique via moteur pas-à-pas et capteurs de force et de déplacement.
- Stimuler la pensée algorithmique et la maîtrise des instruments de mesure via le pilotage Arduino et Python.
Pourquoi ce banc ?
Le banc traction-compression Jeulin répond à ce besoin en offrant une plateforme où l'élève n'est pas spectateur, mais acteur de la mesure.
Grâce à l'intégration Arduino, la chaîne d'acquisition est transparente, démystifiant le processus de mesure industrielle.
Description technique
Structure générale
Le banc traction-compression est composé des éléments principaux suivants :
- Un châssis rigide en acier pour assurer la stabilité.
- Un vérin électrique pour appliquer la force.
- Un capteur de force pour mesurer la charge appliquée.
- Un système de mesure de déplacement pour évaluer la déformation.
- Un système de contrôle et d'acquisition de données.
Principe de fonctionnement
Le banc fonctionne en appliquant une force progressive sur un échantillon placé entre deux plateaux. La force est générée par le vérin et mesurée par le capteur de force. Le déplacement est enregistré par un extensomètre ou un capteur de déplacement. Les données sont ensuite transmises à un système d'acquisition pour analyse.
Pour les essais de compression, l'échantillon est comprimé entre les deux plateaux. Pour les essais de traction, l'échantillon est fixé aux deux extrémités et étiré.
Architecture du système
Le banc traction-compression repose sur une architecture modulaire séparant la chaîne de puissance mécanique de la chaîne d'acquisition électronique. Cliquez sur les composants pour voir les détails.
- Rigidité assurée par une plaque support 600 x 300mm et d'une épaisseur de 10mm.
-
Base stable en aluminium et composite haute densité
Pieds réglables
- Jauge de contrainte (Load Cell).
-
Mesure l'effort appliqué (traction et compression).
Capacité typique : 10kg ou 20kg selon configuration.
- Le cerveau du système.
- Carte microcontrôleur standard permettant l'acquisition des données et le pilotage du moteur.
- Moteur pas à pas pour un déplacement linéaire contrôlé.
- Permet d'appliquer une vitesse de déformation constante, essentielle pour les essais de caractérisations.
- Mesure de la déformation.
-
Mesure l'effort appliqué (traction et compression).
Capacité typique : 10kg ou 20kg selon configuration.
- Interface de puissance et de mesure.
- S'enfiche sur la carte Arduino. gère le driver moteur et l'amplification du signal de la jauge de contrainte.
L'avantage du "shield" Jeulin
Le système utilise un "Shield" (carte d'extension) spécifique qui s'enfiche directement sur l'Arduino Uno. Ce Shield simplifie le câblage complexe (pont en H pour moteur, amplificateur différentiel pour la jauge) tout en laissant les entrées/sorties accessibles pour les élèves. Cela évite les erreurs de branchement fatales.
Cas d'usage
Le banc traction-compression Jeulin permet de réaliser plusieurs essais normés illustrant les principes de la résistance des matériaux et de la mécanique des fluides.
Chaque essai fait intervenir un capteur de force (jauge de contrainte) et un capteur de déplacement (par exemple un potentiomètre linéaire attaché au chariot), connectés au shield Jeulin qui amplifie et numérise les signaux pour l'Arduino Uno.
Le capteur de force (load cell) convertit la force appliquée en une petite variation de signal électrique (via un pont de Wheatstone) qui est amplifiée, tandis que le capteur de déplacement fournit un signal proportionnel à la position du chariot (allongement ou compression).
Ces signaux, envoyés par le shield vers l'Arduino, sont collectés en temps réel par le logiciel d'acquisition sur PC.
Avant chaque essai, on procède au calibrage des capteurs : pour le capteur de force on utilise au moins deux points (par exemple 100g et 1kg de masse étalon) afin d'établir la relation tension–force.
Pour le capteur de déplacement, on étalonne en déplaçant le chariot d'une distance connue (ex. 10mm) et en ajustant la lecture correspondante.
Tous les résultats sont enregistrés (format CSV) pour une exploitation ultérieure.
Traction - loi de Hooke (F = k.ΔL)
L'essai de traction soumet un échantillon (fil métallique ou ressort) à une charge axiale croissante.
On fixe la pièce entre le chariot mobile et un point d'ancrage, puis on actionne le moteur pas-à-pas pour allonger progressivement l'échantillon. Hypothèse : dans la zone élastique, la force F est proportionnelle à l'allongement ΔL (loi de Hooke). On mesure simultanément la force et le déplacement pour tracer la courbe contrainte–déformation du matériau. Le protocole suit ces étapes
Protocole
- Calibrage : capteur de force étalonné avec masses connues (ex : 100 g et 1kg), capteur de déplacement étalonné sur un déplacement de référence.
- Hypothèse : linéarité jusqu'à l'élasticité du matériau (Hooke).
- Expérimentation : on paramètre l'acquisition (vitesse, distance) puis on lance l'essai via l'interface Arduino/PC. La charge est augmentée jusqu'à atteindre un critère (par rupture ou charge donnée).
- Répétitions : le test est répété plusieurs fois (ex : 10 essais) pour obtenir plusieurs courbes indépendantes.
Analyse
Après chaque série de mesures, on trace F en fonction de ΔL.
On vérifie la linéarité dans la zone élastique et on détermine la constante de raideur moyenne du matériau (pente de la droite).
On calcule ensuite la moyenne et l'écart-type des pentes issues des essais répétées.
L'écart-type de l'échantillon sur la moyenne (s/√N) fournit l'incertitude type A sur la constante de raideur.
Pour un niveau de confiance de 95% on multiplie cette incertitude par k = 2.
Essai de tension superficielle (liquide)
Cet essai met en évidence la tension superficielle d'un liquide en mesurant la force nécessaire pour rompre l'interface air–liquide.
On utilise un anneau ou un fil métallique attaché au capteur de force, que l'on soulève lentement de la surface d'un récipient d'eau.
Protocole
- Hypothèse : la force maximale mesurée lors de la rupture du film liquide est Fmax = 2π.r.γ, où r est le rayon du fil/anneau et γ la tension superficielle.
- Expérimentation : après calibrage du capteur de force, on positionne l'anneau au contact de l'eau, puis on tire verticalement à vitesse constante. On enregistre la courbe F en fonction du déplacement jusqu'au décrochage du film.
- Répétitions : on réalise plusieurs essais identiques (ex. 10 mesures) pour obtenir des statistiques.
Analyse
Pour chaque essai on calcule P = Fair − Feau.
On compare la moyenne de P à la valeur théorique ρeau.g.V.
Compression (canette)
Ce test simule l'écrasement d'une structure creuse.
L'échantillon est placé entre une butée fixe et le chariot du banc. Comme pour la traction, le capteur de force mesure la charge appliquée et le capteur de déplacement mesure la course du chariot.
Le calibrage est identique à l'essai de traction (masses étalons pour le capteur de force, déplacement connu pour le chariot).
Protocole
- Hypothèse : on s'attend à ce que la force croisse initialement de manière quasi-linéaire jusqu'à atteindre la charge critique où la structure se déforme par flambement (instabilité).
- Expérimentation : on paramètre le déplacement du chariot et on lance l'acquisition. La charge est appliquée progressivement sur la canette jusqu'à ce qu'elle fléchisse de façon notable.
- Répétitions : au moins 10 essais pour obtenir un ensemble statistique.
Dissipation d'énergie
Données et analyse : on observe typiquement un pic de force avant flambement suivi d'une chute lorsque la structure plie. La courbe moyenne permet d'identifier la charge critique et le comportement post-flambement.
Cet essai cyclique met en évidence la dissipation d'énergie dans un matériau élastique-visqueux. Un échantillon (bloc de mousse) est chargé puis déchargé selon un cycle répété.
Protocole
- Hypothèse : en raison des frottements internes, la courbe charge-déplacement en décharge ne coïncide pas avec celle en charge, formant une boucle d'hystérésis. L'aire de cette boucle correspond à l'énergie dissipée.
- Expérimentation : on paramètre un aller-retour du chariot (mode boucles dans le logiciel) avec une amplitude de charge donnée. Le capteur enregistre F et ΔL tout au long du cycle. On peut réaliser plusieurs cycles successifs à la même amplitude.
- Répétitions : on réalise plusieurs cycles indépendants, ainsi que plusieurs essais globaux (x10).
Analyse
Analyse : on trace les boucles F - ΔL et calcule l'aire comprise entre la charge et la décharge, qui représente l'énergie dissipée par cycle.
On veille à ce que les cycles soient reproductibles ; la dispersion des aires ou du module en charge (pente initiale) est estimée par la moyenne et l'écart-type.
L'incertitude type A sur la valeur mesurée (surface ou pente) est obtenue comme précédemment.
Essai de traction (jusqu'à la rupture)
Cet essai prolonge l'essai de traction classique au-delà du domaine élastique afin d'observer le comportement plastique du matériau.
L'objectif est de mettre en évidence :
- La limite d'élasticité
- La zone plastique
- La striction
- La rupture finale
Protocole
Après la zone linéaire (domaine élastique), le matériau entre en déformation plastique irréversible. La contrainte continue d'augmenter jusqu'à atteindre la contrainte maximale (résistance ultime), puis diminue lors de la striction avant rupture.
On identifie alors sur la courbe :
- La limite d'élasticité
- La contrainte maximale
- L'allongement à rupture
Analyse
L'éprouvette est sollicitée jusqu'à rupture complète.
L'acquisition est réalisée en continu afin d'obtenir la courbe complète contrainte–déformation.
L'essai est répété sur plusieurs éprouvettes identiques (minimum 5 à 10).
Essai de poussée d'Archimède
Cet essai illustre le principe d'Archimède en mesurant la force de poussée exercée sur un solide immergé.
On suspend un solide (masse connue) au capteur de force, d'abord dans l'air puis on l'immerge partiellement dans de l'eau.
On lit la force apparente Feau en cours d'immersion. La poussée P est calculée comme la différence entre le poids dans l'air et le poids apparent dans l'eau.
Protocole
- Hypothèse : on s'attend à P = ρeau.g.Vimmergé
- Expérimentation : après calibration du capteur de force, on note Fair (masse à vide sur le capteur). On immerge ensuite le solide (fixé au capteur) jusqu'à un certain volume connu et on lit la nouvelle force Feau.
- Répétitions : l'opération est répétée (ex : 5 à 10 fois) pour différentes profondeurs ou différentes masses pour vérifier la linéarité.
Analyse
Pour chaque essai on calcule P=Fair−Feau.
On compare la moyenne de P à la valeur théorique ρeau.g.V.
Montage et préparation
Le banc est livré en kit à assembler. Cette étape fait partie intégrante de la démarche pédagogique et permet aux élèves de comprendre concrètement la structure mécanique d’un système d’essai de laboratoire.
Le montage met en évidence la chaîne d’énergie (moteur pas-à-pas, transmission vis–écrou) ainsi que la chaîne d’information (capteur de force, capteur de déplacement). L’alignement mécanique et le positionnement des capteurs sont essentiels pour garantir la fiabilité des mesures.
Avant toute expérimentation, une phase de vérification et de calibrage est réalisée afin d’assurer la cohérence des données acquises et la validité des essais mécaniques.
Structure mécanique
Installation des équerres sur la plaque support 600x300mm. Fixation du moteur et de la vis sans fin.
Clés Allen et niveau à bulle requis.
Intégration électronique
Montage de l'Arduino Uno et insertion du Shield Jeulin. Attention de ne pas tordre les broches.
Connexions (câblage)
- Connecteur moteur -> bornier shield (A/B)
- Capteur de force -> Entrée analogique
- Fin de course -> Entrées numériques
Point de vigilance
Ne jamais connecter ou déconnecter le moteur lorsque le Shield est sous tension. Cela risque d'endommager le driver moteur.