FR3110274A1 - dispositif mécanique complet d'oscillations forcées et résonance selon les principes technologiques de la réalité augmentée. - Google Patents
dispositif mécanique complet d'oscillations forcées et résonance selon les principes technologiques de la réalité augmentée. Download PDFInfo
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Abstract
Dispositif complet d'oscillations forcées et de résonance selon les principes technologiques de la réalité augmentée, doté d’une architecture et de composants comme les dispositifs mécaniques conventionnels, s’en caractérisant par :- une table support dotée: = de différents capteurs dimensionnels (n) de présence placés dans des logements (o) dédiés à la position de chacun des composants (f, i, h) en repos, cet ensemble étant relié à un computeur (p), = des manettes d’actionnement (q) , cet ensemble étant relié au computeur (p), = mat (r) supportant un vidéoprojecteur (s) relié au computeur (p) = une surface plane (t) de projection de l’image du vidéoprojecteur (s), = d’un computeur (p) placé sous la plateforme (a), doté d’un pupitre de commande (u) qui dépasse du périmètre de la plateforme (a) pour être accessible par l’utilisateur,- la présence d’un programme (v) placé dans le computer (p) qui reçoit les informations des différents capteurs dimensionnels de présence (n) et de positionnement des manettes d’actionnement (q), et pilote les exercices en même temps qu’il renvoie leurs représentations visuelles par l’intermédiaire du vidéoprojecteur (s) sur la surface plane (t) de projection de l’image.
Description
L’invention est relative à un dispositif complet d'oscillations forcées et de résonance selon les principes technologiques de la réalité augmentée, aux fins de mener des expériences pédagogiques de types : études statiques visant à déterminer la constance de raideur, régime d’oscillation libre, régime d’oscillation forcée, et régime d’oscillation forcée amortie.
Etat des sachant :
L’état des connaissances peut être établi selon deux angles :
- le premier concerne l‘état de la technologie connue des dispositifs d'oscillations forcées et de résonance,
- le second concerne d’autres dispositifs pédagogiques connus, qui font appel à la technologie de réalité augmentée pour remédier aux manquements des plans d’expérience menés à l’aide d’outils purement mécaniques, dans d’autres domaines que celui de l’oscillation forcée et de la résonance.
- le premier concerne l‘état de la technologie connue des dispositifs d'oscillations forcées et de résonance,
- le second concerne d’autres dispositifs pédagogiques connus, qui font appel à la technologie de réalité augmentée pour remédier aux manquements des plans d’expérience menés à l’aide d’outils purement mécaniques, dans d’autres domaines que celui de l’oscillation forcée et de la résonance.
Relativement à l‘état de la technologie connue des dispositifs mécaniques connus d'oscillations forcées et de résonance: ceux-ci permettent l'étude du pendule élastique simple, tant en statique qu'en dynamique. Les thèmes d’exercice avec ces dispositifs mécaniques sont : Statique et loi de Hooke, Dynamique en oscillations libres et forcées, Frottement fluide, Équation différentielle du système, Période propre d'un système, Degré d'amortissement et Étude de la résonance.
Ce type d’appareil, purement mécanique, est doté : d’un plateau porte-masse qui est relié par une tige, de différentes masses pondérales, d’une réglette graduée assurant une lecture instantanée et relative des allongements du ressort, d’une éprouvette remplie de liquides plus ou moins visqueux. Selon la description des composants, la masse est plongée dans le récipient contenant le liquide visqueux, maintenue toutefois à un fil, tandis qu’elle est soumise à un mouvement répété actionné par un ressort placé sur le fil, le même fil recevant une excitation sinusoïdale réalisée par un moteur qui produit un mouvement rotatif - et ceci par le fait que le fil soit rattaché en périphérie d’une poulie mue par le moteur, cette poulie disposant de plusieurs diamètres aux fins de faire varier les expériences menées. Ainsi, la fréquence d'excitation est variable, alors que le modèle d’étude statique est réalisé simplement avec le moteur arrêté. La fréquence d'excitation réglable est affichée de manière digitale sur le boîtier du moteur. Selon le dispositif décrit, plusieurs expériences sont possibles à réaliser :
ETUDE STATIQUE : DETERMINATION DE LA CONSTANTE DE RAIDEUR: On souhaite déterminer la constante de raideur « k » des ressorts disponible en mesurant leur allongement à l'équilibre lorsqu'ils sont chargés avec des masses de poids connu : On choisit un ressort, on mesure sa longueur à vide. On place ensuite une masse à l'extrémité de ce ressort, puis on mesure sa nouvelle longueur ainsi chargée. En répétant l'opération avec plusieurs masses, on pourra préciser la valeur de la constante de raideur obtenue.
ETUDE DE L’AMORTISSEMENT en régime libre: On remplit la burette d'un fluide (air, eau, huile) et on ajuste si besoin la hauteur du système pour que la masse reste tout le temps dans l'eau au cours du mouvement. On fixe la masse de plus petit diamètre au ressort, et on écarte la masse verticalement de sa position d'équilibre de 2 ou 3 cm. On lâche le système. On mesure la période d'oscillation du système. On pourra refaire l'expérience avec une autre masse ou un fluide différent.
ETUDE DE LA RESONANCE en régime forcé: Le système oscillant est constitué du ressort de raideur la plus petite et d'une masse cylindrique de petit diamètre. Les oscillations forcées seront générées par la rotation du moteur. On fera varier la vitesse de rotation du moteur, donc la fréquence d'oscillation du système. Remplir la burette graduée d'eau et plonger la masse dans l'eau. Agir doucement sur la fréquence du moteur pour mettre le système en mouvement. On pourra comparer la fréquence de rotation du moteur et la fréquence d'oscillation du ressort, et tracer la courbe de résonance.
Plus particulièrement à l’utilisation du dispositif en oscillations en translation, qui sont dans l’état de la connaissance purement mécaniques : Il est possible de réaliser un pendule à ressort vertical, mis en oscillations forcées à l'aide d'un fil passant sur une poulie et actionné par un moteur rotatif muni d'un excentrique. La limite de ce type de dispositif est que sans enregistrement en fonction du temps, il est difficile de mesurer précisément le déphasage des oscillations forcées du pendule. Deux repères réglables et une graduation verticale placés le long du dispositif permettent toutefois de mesurer un certain nombre de propriétés du mouvement avec une précision relative et instantanée. D’une façon générale, en fonction de la fréquence imposée, on peut mesurer l’amplitude du mouvement et estimer l'ordre de grandeur du déphasage. Ceci permet d'étudier : l’effet de la masse de l’oscillateur sur la fréquence de résonance et l'influence de l'amortissement par frottement dans l'eau, sans pour autant avoir des représentations exactes puisque les mouvements constatés ne peuvent être interrompus sur image aux fins de constater une donnée à l’instant « T », tandis que le constat réalisé ne peut être mis en référence à une autre mouvement ultérieur ou antérieur en rapport avec l’expérience menée ou une autre menée antérieurement.
Par ailleurs, plusieurs Remarques sont à observer qui contrarient les expériences menées, du fait de la limite technologique des dispositifs connus :
- remarque 1: le dispositif excentrique possède plusieurs positions (par exemples : 1cm ; 1,5cm ; 2cm), ainsi que des réducteurs d'amplitude (par exemples ×0,5 ou ×0,3); il faut utiliser une amplitude ZAm plutôt grande pour étudier les résonances très amorties (sans exagération pour éviter les turbulences), mais une très petite amplitude pour les résonances très fortes ; afin de pouvoir ensuite comparer les courbes, il suffit alors de raisonner avec la variable ξ= !ZmZAm,
- remarque 2: le dispositif ne fonctionne pas correctement si le fil maintenant le ressort se plie (ou si son crochet se sépare du ressort, même pendant de très courts intervalles de temps) ; pour éviter ceci, il est préférable d'utiliser un pendule constitué d'au moins deux blocs de métal (m ≥ 100 g) et d'éviter les valeurs ZAm plus grandes que nécessaire pour la précision ; il est en outre judicieux de reporter sur les graphiques d'amplitude du mouvement Zm (ω) la limite de décrochage,
- remarque 3: si on dispose de plusieurs ressorts de raideurs différentes, on peut étudier aussi l'effet de cette quantité. Les supports de cours disponibles dans le domaine public, relatent bien les limites des dispositifs connus (notamment dans les modèles d’expérience en oscillations libres – forcées et forcées amorties), en ce que des courbes figurent toujours sur les cours, en raison de leur rôle pédagogique nécessaire à l’explication des phénomènes, mais ne peuvent jamais être observées directement en phase de réalisation des expériences, en raison que les dispositifs connus osnt incapables de restituer ces courbes.
- remarque 1: le dispositif excentrique possède plusieurs positions (par exemples : 1cm ; 1,5cm ; 2cm), ainsi que des réducteurs d'amplitude (par exemples ×0,5 ou ×0,3); il faut utiliser une amplitude ZAm plutôt grande pour étudier les résonances très amorties (sans exagération pour éviter les turbulences), mais une très petite amplitude pour les résonances très fortes ; afin de pouvoir ensuite comparer les courbes, il suffit alors de raisonner avec la variable ξ= !ZmZAm,
- remarque 2: le dispositif ne fonctionne pas correctement si le fil maintenant le ressort se plie (ou si son crochet se sépare du ressort, même pendant de très courts intervalles de temps) ; pour éviter ceci, il est préférable d'utiliser un pendule constitué d'au moins deux blocs de métal (m ≥ 100 g) et d'éviter les valeurs ZAm plus grandes que nécessaire pour la précision ; il est en outre judicieux de reporter sur les graphiques d'amplitude du mouvement Zm (ω) la limite de décrochage,
- remarque 3: si on dispose de plusieurs ressorts de raideurs différentes, on peut étudier aussi l'effet de cette quantité. Les supports de cours disponibles dans le domaine public, relatent bien les limites des dispositifs connus (notamment dans les modèles d’expérience en oscillations libres – forcées et forcées amorties), en ce que des courbes figurent toujours sur les cours, en raison de leur rôle pédagogique nécessaire à l’explication des phénomènes, mais ne peuvent jamais être observées directement en phase de réalisation des expériences, en raison que les dispositifs connus osnt incapables de restituer ces courbes.
En conséquence les limites technologiques des dispositifs mécaniques connus d'oscillations forcées et de résonance peuvent être établies selon quatre problématiques, à savoir :
1°Du fait des composants qui dénaturent le comportement physique étudié: L'élasticité de la ficelle est inconnue, Le glissement de la ficelle sur la poulie est inconnu, Le rendement (coeff. de friction des billes dans leur cage) n'est jamais à 100%, il existe une plage de tolérance de la raideur du ressort, il existe des perturbations de l'oscillation dues à la masse suspendue au ressort, enfin on ne peut ignorer des frottements aléatoires de la tige sur le bouchon percé du récipient de liquide.
2° dans la limite fonctionnelle des dispositifs actuels: Il est impossible d'enregistrer les périodes des oscillations périodiques en fonction de l'excitation déterminée, Il perdure une incertitude liée à la tolérance des masses suspendues, La visualisation sur la règle de l'amplitude des oscillations est imprécise, L’inversion des fluides nécessite des préparations contraignantes et énergivores qui handicapent le déroulement de la leçon, Dans le cas de fortes amplitudes d'oscillations on voit apparaitre de possibles turbulences perturbatrices, enfin à l'approche de la résonnance le fonctionnement devient aléatoire tandis qu’il engendre des vétustés mécaniques.
3° dans la disponibilité de ces outils: Chaque expérience menée nécessite d'installer une variété de composants propres (ressorts, poids, fluides) qui à la fois nécessitent un temps important de mise en œuvre qui limite fortement la pluralité d'expériences durant un cours, tandis que la variété de ces composants introduit une gêne tant dans la gestion du stock de composants que dans leur disponibilité immédiate. Ce qui indique qu’en situation, ces dispositifs handicapent le temps d’expérimentation en raison de la préparation, et le nombre d’expériences pouvant être réalisées en raison des nombreuses pièces devant être disponibles immédiatement.
1°Du fait des composants qui dénaturent le comportement physique étudié: L'élasticité de la ficelle est inconnue, Le glissement de la ficelle sur la poulie est inconnu, Le rendement (coeff. de friction des billes dans leur cage) n'est jamais à 100%, il existe une plage de tolérance de la raideur du ressort, il existe des perturbations de l'oscillation dues à la masse suspendue au ressort, enfin on ne peut ignorer des frottements aléatoires de la tige sur le bouchon percé du récipient de liquide.
2° dans la limite fonctionnelle des dispositifs actuels: Il est impossible d'enregistrer les périodes des oscillations périodiques en fonction de l'excitation déterminée, Il perdure une incertitude liée à la tolérance des masses suspendues, La visualisation sur la règle de l'amplitude des oscillations est imprécise, L’inversion des fluides nécessite des préparations contraignantes et énergivores qui handicapent le déroulement de la leçon, Dans le cas de fortes amplitudes d'oscillations on voit apparaitre de possibles turbulences perturbatrices, enfin à l'approche de la résonnance le fonctionnement devient aléatoire tandis qu’il engendre des vétustés mécaniques.
3° dans la disponibilité de ces outils: Chaque expérience menée nécessite d'installer une variété de composants propres (ressorts, poids, fluides) qui à la fois nécessitent un temps important de mise en œuvre qui limite fortement la pluralité d'expériences durant un cours, tandis que la variété de ces composants introduit une gêne tant dans la gestion du stock de composants que dans leur disponibilité immédiate. Ce qui indique qu’en situation, ces dispositifs handicapent le temps d’expérimentation en raison de la préparation, et le nombre d’expériences pouvant être réalisées en raison des nombreuses pièces devant être disponibles immédiatement.
4° dans la capacité pédagogique de ces outils :Les expériences pédagogiques menées avec ces dispositifs conventionnels, ne permettent pas une compréhension simultanée des phénomènes observés du fait à la fois de : la relativité des phénomènes pouvant être contrariés en raison d’un désordre mécanique, de l’incapacité à obtenir des données exactes, et des théories inobservables en situation en raison qu’elles nécessitent un rapport au temps qui n’est pas permis dans le cas d’observations relatives et instantanées.
Relativement à d’autres dispositifs pédagogiques connus, qui font appel à la technologie de réalité augmentée pour remédier aux manquements des plans d’expérience menés à l’aide d’outils purement mécaniques: il nous parait utile d’indiquer dans le domaine pédagogique, le brevet d’invention n° EP3113153 qui tente de faire reculer les limites d’observations physiques dans le cadre d’une expérience, et ce dans un domaine différent de celui du présent brevet. le brevet d’invention n° EP3113153 est relatif à un simulateur hybride destiné à l’enseignement de l’optique et à la formation au réglage des appareils d’optique, caractérisé en ce que le simulateur hybride comprend :
- au moins un composant optique factice simulant physiquement un appareil optique ;
- au moins un dispositif d’actionnement destiné à générer ou à simuler un réglage dudit composant optique factice;
- un capteur configuré de manière à détecter un signal de réglage représentatif du fonctionnement dudit dispositif d’actionnement;
- un système de traitement numérique recevant ledit signal de réglage émis par ledit capteur, ledit système de traitement numérique comprenant un modèle numérique destiné à simuler au moins un faisceau optique numérique de sortie résultant de l’interaction entre un faisceau optique numérique d’entrée et un composant optique numérique représentant ledit appareil optique en fonction dudit signal de réglage ;
- un dispositif d’affichage permettant d’afficher un signal visuel représentatif dudit faisceau optique numérique de sortie en fonction dudit signal de réglage.
- au moins un composant optique factice simulant physiquement un appareil optique ;
- au moins un dispositif d’actionnement destiné à générer ou à simuler un réglage dudit composant optique factice;
- un capteur configuré de manière à détecter un signal de réglage représentatif du fonctionnement dudit dispositif d’actionnement;
- un système de traitement numérique recevant ledit signal de réglage émis par ledit capteur, ledit système de traitement numérique comprenant un modèle numérique destiné à simuler au moins un faisceau optique numérique de sortie résultant de l’interaction entre un faisceau optique numérique d’entrée et un composant optique numérique représentant ledit appareil optique en fonction dudit signal de réglage ;
- un dispositif d’affichage permettant d’afficher un signal visuel représentatif dudit faisceau optique numérique de sortie en fonction dudit signal de réglage.
La problématique à la quelle répond le brevet d’invention n° EP3113153 est de rétablir en réalité augmentée un banc optique, où chaque modification des caractéristiques optiques est immédiatement représentée en réalité augmentée, sans faire appel à des solutions mécaniques en optique, mais à des composants factices.
Bien que ne s’agissant pas du même objet que celui recherché par notre invention, des similitudes fonctionnelles et techniques peuvent être observées quant à la volonté d’apporter une plus grande fiabilité dans les observations qui découlent des expériences par l’usage des technologies de réalité augmentée.
En revanche la problématique pédagogique devient pour nos travaux très différente, en ce que s’agissant de phénomènes optiques à observer pour le brevet d’invention n° EP3113153, la modélisation des faisceaux lumineux est évidente puisque la représentation visuelle est immédiate et ne change que si l’on modifie un paramètre de l’expérience. Tandis que dans le cas de nos expériences et s’agissant de modéliser des phénomènes physiques en continuel mouvement, ceux-ci ne sont pas observables à la fois dans le détail, ni en comparaison en ce que selon l’instant observé, il est différent de celui qui le précède ou lui succède. La problématique posée sur le plan pédagogique était de trouver des solutions qui permettent d’acquérir la connaissance par la représentation en réalité augmentée, en raisons : d’expériences non perturbées par des champs extérieurs à l’étude, d’observations précises et arrêtées aux quelles parvenir, d’observations analysables dans le temps de l’expérience, et enfin d’observations analysables dans le détail au regard d’autres réalisées avec un changement de paramètre de réglage ( étude de l’influence du paramètre dans le temps de l’expérience, au regard d’une autre expérience).
Présentation de l’invention: l’invention est relative à un dispositif complet d'oscillations forcées et de résonance selon les principes technologiques de la réalité augmentée, aux fins de mener des expériences pédagogiques de types : études statiques visant à déterminer la constance de raideur, régime d’oscillation libre, régime d’oscillation forcée, et régime d’oscillation forcée amortie, ce dispositif étant doté comme les dispositifs mécaniques connus d’une architecture et de composants, tels que :
- une plateforme (a) qui reçoit :
= un moteur(b) doté d’un axe de transmission qui supporte une poulie (c) sur laquelle en son périmètre est fixé un fil (d),
= un bras vertical au-dessus duquel une autre poulie (e) vient se placer pour recevoir le fil (d), celui-ci étant alors suspendu pour recevoir,
- un ressort (f) placé sur le fil (d) qui reçoit une excitation sinusoïdale par le fait de l’actionnement du moteur (b),
- une tige (g) tenue en suspension après le ressort,
- de différentes masses pondérales (h) et disques obturateurs (i) placés en bas de la tige (g), choisis selon l’expérience souhaitée réaliser,
- d’une éprouvette (j) remplie de liquides plus ou moins visqueux (k), qui reçoit une masse pondérale (h) et un disque obturateur (i), ces deux éléments étant alors contraints par une inertie provoquée par la présence du liquide visqueux (k),
- d’une réglette graduée (l) placée sur le bras vertical (e)assurant une lecture instantanée mais aléatoire des allongements du ressort (f) par déplacement en rapport d’un plot repère(m) placé sur la tige (g) ,
se caractérisant des dispositifs conventionnels par :
- une table support dotée:
= de différents capteurs dimensionnels (n) de présence placés dans des logements (o) dédiés à la position de chacun des composants (f, i, h) en repos (non placés pour un exercice), tels que : logements spécifiques (o’) dédiés à chacun des ressorts (f), logements spécifiques (o’’) dédiés à chaque diamètre de disque obturateur (i), logements (o’’’) de masses (h), cet ensemble étant relié à un computeur (p),
= des manettes d’actionnement (q) : la première (q’) agissant sur les paramètres de rapidité du moteur (b) provoquant le mouvement rotatif d’un fil (d) actionné ; la seconde (q’’) de réglage de la viscosité de fluides (k) simulés, puisqu’ils n’ont pas nécessité à être présents dans l’éprouvette (j), la troisième (q’’’) de réglage de la sinusoïdale de la poulie (c) placée sur l’arbre de transmission du moteur, cet ensemble étant relié au computeur (p),
= mat (r) supportant un vidéoprojecteur (s) relié au computeur (p)
= une surface plane (t) de projection de l’image du vidéoprojecteur (s), cette surface étant en aplomb du vidéoprojecteur (s),
= d’un computeur (p) placé sous la plateforme (a), doté d’un pupitre de commande (u) qui dépasse du périmètre de la plateforme (a)pour être accessible par l’utilisateur,
- la présence d’un programme (v) placé dans le computer (p) qui reçoit les informations des différents capteurs dimensionnels de présence (n) et de positionnement des manettes d’actionnement (q), et pilote les exercices en même temps qu’il renvoie leurs représentations visuelles par l’intermédiaire du vidéoprojecteur (s) sur la surface plane (t) de projection de l’image.
- une plateforme (a) qui reçoit :
= un moteur(b) doté d’un axe de transmission qui supporte une poulie (c) sur laquelle en son périmètre est fixé un fil (d),
= un bras vertical au-dessus duquel une autre poulie (e) vient se placer pour recevoir le fil (d), celui-ci étant alors suspendu pour recevoir,
- un ressort (f) placé sur le fil (d) qui reçoit une excitation sinusoïdale par le fait de l’actionnement du moteur (b),
- une tige (g) tenue en suspension après le ressort,
- de différentes masses pondérales (h) et disques obturateurs (i) placés en bas de la tige (g), choisis selon l’expérience souhaitée réaliser,
- d’une éprouvette (j) remplie de liquides plus ou moins visqueux (k), qui reçoit une masse pondérale (h) et un disque obturateur (i), ces deux éléments étant alors contraints par une inertie provoquée par la présence du liquide visqueux (k),
- d’une réglette graduée (l) placée sur le bras vertical (e)assurant une lecture instantanée mais aléatoire des allongements du ressort (f) par déplacement en rapport d’un plot repère(m) placé sur la tige (g) ,
se caractérisant des dispositifs conventionnels par :
- une table support dotée:
= de différents capteurs dimensionnels (n) de présence placés dans des logements (o) dédiés à la position de chacun des composants (f, i, h) en repos (non placés pour un exercice), tels que : logements spécifiques (o’) dédiés à chacun des ressorts (f), logements spécifiques (o’’) dédiés à chaque diamètre de disque obturateur (i), logements (o’’’) de masses (h), cet ensemble étant relié à un computeur (p),
= des manettes d’actionnement (q) : la première (q’) agissant sur les paramètres de rapidité du moteur (b) provoquant le mouvement rotatif d’un fil (d) actionné ; la seconde (q’’) de réglage de la viscosité de fluides (k) simulés, puisqu’ils n’ont pas nécessité à être présents dans l’éprouvette (j), la troisième (q’’’) de réglage de la sinusoïdale de la poulie (c) placée sur l’arbre de transmission du moteur, cet ensemble étant relié au computeur (p),
= mat (r) supportant un vidéoprojecteur (s) relié au computeur (p)
= une surface plane (t) de projection de l’image du vidéoprojecteur (s), cette surface étant en aplomb du vidéoprojecteur (s),
= d’un computeur (p) placé sous la plateforme (a), doté d’un pupitre de commande (u) qui dépasse du périmètre de la plateforme (a)pour être accessible par l’utilisateur,
- la présence d’un programme (v) placé dans le computer (p) qui reçoit les informations des différents capteurs dimensionnels de présence (n) et de positionnement des manettes d’actionnement (q), et pilote les exercices en même temps qu’il renvoie leurs représentations visuelles par l’intermédiaire du vidéoprojecteur (s) sur la surface plane (t) de projection de l’image.
Plus particulièrement aux manettes d’actionnement (q), celles-ci peuvent présenter plusieurs formes : curseur manuel ou tactile, potentiomètre, objet en rotation à 360° sur lui-même… Par exemple la manette (q’’’) de réglage de la sinusoïdale peut présenter la forme d’un curseur envoyant l’information au programme (v) sans que soit modifiée la position du fil (d) sur la poulie (c) de l’architecture mécanique, ou encore à la fois lancer d’information au programme (v) tout en faisant varier la position du fil (d) sur l’architecture mécanique par le biais d’un levier mécanique doté d’un contact électromagnétique.
Le procédé de fonctionnement du dispositif est établi sur une double lecture de l’exercice, à la fois en présence des composants mécaniques qui permettent une observation aléatoire favorisant la compréhension pédagogique des notions de cause à effet, et par vidéo projection selon un principe d’observation précise des résultats de l’expérience dirigé par le programme sans possibilité que les composants déclenchent des interférences modifiant le comportement physique étudié. Ce procédé agit comme suit :
En fonction de l’absence des composants (f, h, i) dans leur logement de rangement, tous dotés de capteurs dimensionnels (n), et selon la position des manettes d’actionnement(q) de vitesses de rotation moteur (q’) et de viscosité (q’’), le programme détecte l’exercice dédié en référence aux composants manquants dans les rangements.
L’actionnement de l’exercice par l‘utilisateur sur le pupitre (u) du computer (p) met alors en route le moteur (b) qui actionne l’ensemble des composants mécaniques (f, h, i), de telle façon à reproduire en intégralité l’expérience mécanique d’un dispositif conventionnel, excepté la non présence de liquides visqueux (k) qui sont simulés par le programme (v). Dans ces conditions, l’élève a pu observer en phase préparatoire à l’exercice, les paramètres installés, tandis qu’en phase expérimentale il est en présence simultanée du mouvement produit.
Dans le cas où le programme (v) détecte des anomalies relatives à la non présence de plusieurs composants (f, h, i) de même famille (par exemple : deux ressorts), par information des capteurs dimensionnels (n) de présence, il adresse une alerte visuelle à l’utilisateur par l’intermédiaire du vidéoprojecteur (s). Dans ces conditions, l’utilisateur replace dans leurs logements les composants (f, h, i) qui n’entrent pas dans le champ de l’expérience souhaitée, ce qui débloque la situation et permet de lancer l’exercice.
Par ailleurs et simultanément au démarrage de l’expérience, le programme (v) dessine instantanément un graphisme de représentation précis du mouvement – dit aussi courbe (w), qui est retransmis par le vidéoprojecteur (s)dans l’instant de l’action, ce qui permet à l’élève de disposer d’une traçabilité de l’influence du mouvement à chacun de ses instants et durant toute la phase de déroulement de l’exercice. Ainsi, non content d’observer par vidéo-projection (s) l’instant de l’expérience, il dispose également de la lecture de la courbe ( w)qui se dessine au fur et à mesure de l’expérience.
Enfin, selon les expériences passées emmagasinées en mémoire dans le computeur, ou des cas contenus dans le programme (v), celui-ci peut conjointement à un exercice en cours, ou à postériori, visualiser plusieurs courbes (w) comparatives dans le respect de leur fractionnement de temps ; par exemple retracer en mouvement deux courbes comparées : l’une de l’expérience encours d’être menée, en comparaison à une autre expérience passée.
Ainsi :
- sur des dispositifs conventionnels, s’il n’est possible que de constater instantanément et de façon aléatoire le mouvement à l’aide d’un plot (m) placé sur la tige (g) supportant la masse (h) et le disque obturateur (i), plot (m) placé en référence à une réglette graduée (l) en position parallèle à la tige (g),
- sans se dispenser d’une telle observation, le dispositif permet d’obtenir une lecture et une traçabilité de l’expérience menée durant tout le temps de son déroulement, ainsi qu’en référence à d’autres expériences passées ou programmées. Cela confère un développement notoire des capacités pédagogiques du dispositif, en ce que l’observation peut être lue à la fois instantanément et dans le temps, ce qui confère une démonstration évidente des modifications liées aux changements de paramètres.
- sur des dispositifs conventionnels, s’il n’est possible que de constater instantanément et de façon aléatoire le mouvement à l’aide d’un plot (m) placé sur la tige (g) supportant la masse (h) et le disque obturateur (i), plot (m) placé en référence à une réglette graduée (l) en position parallèle à la tige (g),
- sans se dispenser d’une telle observation, le dispositif permet d’obtenir une lecture et une traçabilité de l’expérience menée durant tout le temps de son déroulement, ainsi qu’en référence à d’autres expériences passées ou programmées. Cela confère un développement notoire des capacités pédagogiques du dispositif, en ce que l’observation peut être lue à la fois instantanément et dans le temps, ce qui confère une démonstration évidente des modifications liées aux changements de paramètres.
Le dispositif étant dirigé par le programme (v), il n’est plus nécessaire de multiplier le nombre de composants (f, h, i) d’une même famille pour faire varier les plans d’expérience. La présence de plusieurs de ces éléments a pour objet de faciliter la préparation de l’expérience, notamment pour ne pas perdre de temps en préparation si plusieurs exercices sont réalisés dans la continuité du cours. Mais il est toujours possible de modifier par le programme (v) par action sur le pupitre, l’information relatif à un composant. Dans la figure, les composants apparaissent au nombre de : deux ressorts, trois masses et trois obturateurs.
- Présentation générale de l’invention
Glossaire :
a) plateforme
b) moteur
c) poulie
d) fil
e) bras vertical eu dessus duquel est placée une seconde poulie
f) ressort
g) tige
h) masses pondérales
i) disques obturateurs
j) éprouvette
k) liquide visqueux
l) réglette graduée
m) plot repère
n) capteurs dimensionnels
o) logements : o’) logements ressorts, o’’) logements disques obturateurs, o’’’) logement des masses
p) computeur
q) manettes d’actionnement : q’) manette d’actionnement moteur, q’’) manette de variation de viscosité, q’’’) manette de la sinusoïdale,
r) mat support du vidéoprojecteur,
s) vidéo projecteur,
t) surface plane de projection de l’image du vidéoprojecteur,
u) pupitre du computer,
v) programme,
w) courbes,
a) plateforme
b) moteur
c) poulie
d) fil
e) bras vertical eu dessus duquel est placée une seconde poulie
f) ressort
g) tige
h) masses pondérales
i) disques obturateurs
j) éprouvette
k) liquide visqueux
l) réglette graduée
m) plot repère
n) capteurs dimensionnels
o) logements : o’) logements ressorts, o’’) logements disques obturateurs, o’’’) logement des masses
p) computeur
q) manettes d’actionnement : q’) manette d’actionnement moteur, q’’) manette de variation de viscosité, q’’’) manette de la sinusoïdale,
r) mat support du vidéoprojecteur,
s) vidéo projecteur,
t) surface plane de projection de l’image du vidéoprojecteur,
u) pupitre du computer,
v) programme,
w) courbes,
Claims (5)
- Dispositif complet d'oscillations forcées et de résonance selon les principes technologiques de la réalité augmentée, aux fins de mener des expériences pédagogiques de types : études statiques visant à déterminer la constance de raideur - régime d’oscillation libre - régime d’oscillation forcée - et régime d’oscillation forcée amortie, ce dispositif étant doté d’une architecture et de composants comme les dispositifs mécaniques conventionnels, s’en caractérisant par :
- une table support dotée:
= de différents capteurs dimensionnels (n) de présence placés dans des logements (o) dédiés à la position de chacun des composants (f, i, h) en repos, tels que : logements spécifiques (o’) dédiés à chacun des ressorts (f), logements spécifiques (o’’) dédiés à chaque diamètre de disque obturateur (i), logements (o’’’) de masses (h), cet ensemble étant relié à un computeur (p),
= des manettes d’actionnement (q) : la première (q’) agissant sur les paramètres de rapidité du moteur (b) provoquant le mouvement rotatif d’un fil (d) actionné ; la seconde (q’’) de réglage de la viscosité de fluides (k) simulés, puisqu’ils n’ont pas nécessité à être présents dans l’éprouvette (j), la troisième (q’’’) de réglage de la sinusoïdale de la poulie (c) placée sur l’arbre de transmission du moteur, cet ensemble étant relié au computeur (p),
= mat (r) supportant un vidéoprojecteur (s) relié au computeur (p)
= une surface plane (t) de projection de l’image du vidéoprojecteur (s), cette surface étant en aplomb du vidéoprojecteur (s),
= d’un computeur (p) placé sous la plateforme (a), doté d’un pupitre de commande (u) qui dépasse du périmètre de la plateforme (a) pour être accessible par l’utilisateur,
- la présence d’un programme (v) placé dans le computer (p) qui reçoit les informations des différents capteurs dimensionnels de présence (n) et de positionnement des manettes d’actionnement (q), et pilote les exercices en même temps qu’il renvoie leurs représentations visuelles par l’intermédiaire du vidéoprojecteur (s) sur la surface plane (t) de projection de l’image. - Procédé de fonctionnement du dispositif selon la revendication 1 caractérisé par une double lecture de l’exercice, à la fois en présence des composants mécaniques qui permettent une observation aléatoire favorisant la compréhension pédagogique des notions de cause à effet, et par vidéo projection selon un principe d’observation précise des résultats de l’expérience dirigé par le programme sans possibilité que les composants déclenchent des interférences modifiant le comportement physique étudié.
- Procédé de fonctionnement du dispositif selon les revendications 2 caractérisé en ce qu’en cas d’absence des composants (f, h, i) dans leur logement de rangement, et selon la position des manettes d’actionnement(q) de vitesses de rotation moteur (q’) et de viscosité (q’’), le programme détecte l’exercice dédié en référence aux composants manquants dans les rangements.
- Procédé de fonctionnement du dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que l’actionnement de l’exercice par l‘utilisateur sur le pupitre (u) du computer (p) met alors en route le moteur (b) qui actionne l’ensemble des composants mécaniques (f, h, i), de telle façon à reproduire en intégralité l’expérience mécanique d’un dispositif conventionnel, excepté la non présence de liquides visqueux (k) qui sont simulés par le programme (v).
- Procédé de fonctionnement du dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que simultanément au démarrage de l’expérience, le programme (v) dessine instantanément un graphisme de représentation précis du mouvement – dit aussi courbe (w), qui est retransmis par le vidéoprojecteur (s) dans l’instant de l’action.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR2004699A FR3110274B1 (fr) | 2020-05-13 | 2020-05-13 | dispositif mécanique complet d'oscillations forcées et résonance selon les principes technologiques de la réalité augmentée. |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2004699A FR3110274B1 (fr) | 2020-05-13 | 2020-05-13 | dispositif mécanique complet d'oscillations forcées et résonance selon les principes technologiques de la réalité augmentée. |
| FR2004699 | 2020-05-13 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| FR3110274B1 FR3110274B1 (fr) | 2022-04-15 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2004699A Active FR3110274B1 (fr) | 2020-05-13 | 2020-05-13 | dispositif mécanique complet d'oscillations forcées et résonance selon les principes technologiques de la réalité augmentée. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3110274B1 (fr) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2298148A1 (fr) * | 1975-01-15 | 1976-08-13 | Anvar | Appareil pour l'etude de la dynamique de rotation |
| US4596142A (en) * | 1983-07-08 | 1986-06-24 | United Kingdom Atomic Energy Authority | Ultrasonic resonance for detecting changes in elastic properties |
| WO1991019173A1 (fr) * | 1990-06-01 | 1991-12-12 | Technology Integration And Development Group Incorporated | Procede pour evaluer l'integrite structurale de structures composites |
| FR3027680A1 (fr) * | 2014-10-23 | 2016-04-29 | Promic | Appareil didactique de mesure du temps sur l'acceleration d'un corps en rotation caracterise par une technologie de capteur infrarouge relie a une carte electronique faisant office de chronometre |
| EP3113153A1 (fr) | 2015-06-29 | 2017-01-04 | Universite De Bordeaux | Simulateur hybride et procédé pour enseigner l'optique ou pour pratiquer des réglages sur un dispositif optique |
-
2020
- 2020-05-13 FR FR2004699A patent/FR3110274B1/fr active Active
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| 3B SCIENTIFIC: "Mouvements de rotation ? acc?l?ration uniforme - UE104010", 1 January 2008 (2008-01-01), pages 1 - 4, XP055212865, Retrieved from the Internet <URL:https://www.3bscientific.com/medialibrary/experiments/fr/UE104010_F.pdf> [retrieved on 20150911] * |
| PHET UNIVERSITY OF COLORADO: "Masses and Springs", 25 March 2020 (2020-03-25), XP002801637, Retrieved from the Internet <URL:https://web.archive.org/web/20200325092625/https://phet.colorado.edu/sims/html/masses-and-springs/latest/masses-and-springs_en.html> [retrieved on 20210114] * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3110274B1 (fr) | 2022-04-15 |
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