Cloé : l isolation vestimentaire

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1 Finale nationale des Olympiades de Physique France Vendredi 7 févier 2014 Palais de la Découverte (Paris) Anaïs HARLÉ, Baptistine CARISSIMO, Laurine ANDRIEUX présentent Cloé : l isolation vestimentaire 1

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3 Résumé Nous avons décidé de mesurer de manière objective la qualité isolante des vêtements. Dans un premier temps, nous avons étudié les modes de transferts de la chaleur puis le refroidissement d un objet dans différentes conditions. Ensuite, nous avons fabriqué un lambdamètre rudimentaire qui nous a permis de comparer la résistance thermique de différents échantillons de tissu. Puis, nous avons réalisé ces mesures in-situ, sur notre corps, habillé de différents vêtements en faisant varier également le nombre d épaisseurs ou les conditions de l expérience. Finalement, après la visite d un grand laboratoire industriel, nous avons décidé de faire des mesures sur un mannequin, à l échelle 1, thermorégulé à 37 C par un circuit d eau, la température étant mesurée par une caméra thermique et des thermocouples. Un fluxmètre thermique permet de mieux apprécier les valeurs de résistance thermique. Nous avons pu comparer thermiquement les différents vêtements entre eux, et les comparer en termes d efficacité isolante. 3

4 Sommaire RESUME 3 SOMMAIRE 4 PARTENAIRES 6 LA THERMOMETRIE 9 LES THERMOMETRES A LIQUIDE 9 THERMOMETRES «ELECTRONIQUES» 9 LES THERMOMETRES INFRAROUGE 11 LA CAMERA THERMIQUE 12 COMPARATIF 13 L ISOLATION, DIFFERENTE SELON LES MATERIAUX? 13 LA TEMPERATURE CORPORELLE 13 LES VETEMENTS ET LA TEMPERATURE CORPORELLE 14 DIFFERENTS MATERIAUX, DIFFERENTS POUVOIRS ISOLANTS? 14 LE TRANSFERT DE CHALEUR 17 DIFFERENCE ENTRE TEMPERATURE ET CHALEUR 17 LA CONVECTION 18 LA CONDUCTION 18 LE RAYONNEMENT 18 MESURE DE RESISTANCE THERMIQUE 19 LE LAMBDAMETRE 19 LES MESURES 21 LE CLO SUR NOUS 21 CALCUL DE LA SURFACE DE NOTRE CORPS 21 ENERGIE ET PUISSANCE 22 FLUX THERMIQUE DE NOTRE CORPS 22 LA CAMERA THERMIQUE 22 EMPREINTE THERMIQUE 22 IMPREGNATION THERMIQUE 23 CORPS HUMAIN ET TISSUS 24 PLUSIEURS T-SHIRTS 27 LE SAC POUBELLE 29 LE MANNEQUIN 29 RECHERCHE DE MANNEQUIN 29 PREPARATION DU MANNEQUIN 30 IMAGE OBTENUE AVEC LE MANNEQUIN ET LA CAMERA THERMIQUE. 32 CONCLUSION 35 BIBLIOGRAPHIE 36 REMERCIEMENTS 37 ANNEXE 1 : DESCRIPTION DES CARACTERISTIQUES DE LA CAMERA THERMIQUE C.A ANNEXE 2 : COURRIER ADRESSE A DIFFERENTES ENSEIGNES. 39 ANNEXE 3 : REPONSE MAIL DE CHEZ NIKE. 40 ANNEXE 4 : COMPTE RENDU DE VISITE DE LABORATOIRE OXYLANE. 41 ANNEXE 5 : EQUIVALENCE CLO/ ISOLATION BATIMENT. 43 LES OLYMPIADES VUES PAR LAURINE 44 LES OLYMPIADES VUES PAR ANAÏS 45 LES OLYMPIADES VUES PAR BAPTISTINE 46 4

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6 Partenaires Conseils scientifiques et techniques, visite d entreprises Conseils scientifiques et techniques Soutien financier Matériel pédagogique 6

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8 Les vêtements sont aujourd hui bien plus qu une pièce servant à couvrir une partie du corps, ils ont acquis dans l Histoire d autres fonctions qui varient dans le temps et selon les sociétés. Ils permettent aujourd hui d affirmer son identité, de marquer son appartenance à un groupe et montrer sa place dans la société. Il y a 9000 ans, la révolution néolithique qu est la sédentarisation de groupes humains, contient déjà les fondements de la mode. Juste après la disparition du mammouth laineux, le développement de l agriculture et de l élevage rend beaucoup plus facile l accès aux matières première pour l habillement. Les peaux à peine cousue sont remplacées par des étoffes tissées à partir de végétaux (lin, coton) ou d animaux (laine, cuir, soie). A partir de là chaque civilisation pourra se démarquer des autres en utilisant de manières différentes ces mêmes matières. Il y aura bien peu de révolution dans les matériaux jusqu au milieu du XXème siècle avec l apparition des textiles synthétiques. Si on excepte la cotte de maille des champs de bataille du Moyen-Age et les habits dorés royaux, les métaux ont très peu été utilisés (le styliste Paco RABANNE est anecdotique) avant l apparition de matériaux issus de la conquête spatiale comme le mylar ou les textiles ignifugés ou purement techniques. Aujourd hui dans notre société où on passe l essentiel de notre temps en intérieur et où la voiture est omniprésente, on a un peu perdu la notion basique des vêtements : la protection contre l environnement extérieur et en particulier le froid. Nous avons donc cherché à quantifier cette notion d isolation vestimentaire. Pourquoi certaines personnes ont-elles froid et pas d autres? Pourquoi certains textiles gardent-ils mieux la chaleur que d autre? Les courants d air agissent-ils sur ces matières ou sur nous? Notre professeur nous a proposé de participer à ce concours, bien sûr nous connaissons déjà les Olympiades grâce à nos grands frères et nos grandes sœurs qui ont adoré l expérience, nous suivons donc les mêmes pas qu eux quelques années plus tard. Nous avons donc commencé à faire des recherches et à formuler plusieurs hypothèses sur la façon de vous présenter notre sujet. Nous nous sommes accordées sur le fait que le meilleur moyen de réaliser nos expériences et d être le plus précis possible était de fabriquer notre mannequin ou d en obtenir un grâce à des magasins en possédant. En attendant, nous nous sommes posé plusieurs questions telles que : Quels sont les différents types de transferts de chaleur? Comment s habiller confortablement par rapport aux conditions climatiques? Au bout de quelle épaisseur de vêtement notre confort est-il idéal? La température corporelle, les ressentis de froid ou de chaud sont-ils pareils pour tout le monde? Nous voulions tenter d en apprendre le plus possible sur ce sujet, et de découvrir de nouvelles choses que nous n aurions jamais apprises normalement. Nous désirions étudier les échanges de chaleur, la notion d énergie et de flux thermique, connaître les vêtements plus ou moins isolants (et les propriétés de chacun) par le biais de mesures sur notre corps en calculant leur résistance thermique, puis avec plus de précisions sur un mannequin thermique. 8

9 La thermométrie Au cours de notre projet nous avons été amenées à utiliser différents types de thermomètres qui fonctionnent sur des principes différents. Les thermomètres à liquide Les thermomètres classiques à liquide qui sont basés sur la dilatation des liquides en fonction de la température. Des thermomètres à alcool (source internet) Après les essais de NEWTON en 1701 avec de l huile de lin, c est Daniel Gabriel FAHRENHEIT qui semble avoir été le premier à utiliser du mercure en Ce métal liquide à température ambiante est non mouillant, ce qui permet son utilisation dans des capillaires et d avoir une précision de 0,1 C sur une vaste gamme de températures. C est Anders CELSIUS qui a créé en 1742 une échelle dite centigrade, qui existe toujours sur les thermomètres de nos grand-mères car ce n est qu en 1948 que le degré CELSIUS, C, fut adopté (avec une petite redéfinition, l eau bout à 99,975 C, différence inobservable avec un thermomètre classique à 0,1 C près) Pour une mesure correcte, l ensemble de la colonne thermométrique doit être immergée, pour éviter entre autre des mouvements de convection dans celle-ci. Thermomètres «électroniques» Nous avons également utilisé des thermomètres électriques, électroniques. Ils se présentent sous la forme d une sonde en pointe ou cylindrique de quelques centimètres de longueur et quelques millimètres de diamètre. L un des thermomètres électroniques du lycée Nous ne connaissons pas exactement le système de fonctionnement mais on peut dire que la température est responsable de la modification d une grandeur physique d un composant électronique, puis une chaine électronique transforme cette variation analogique en grandeur numérique qui s affiche. Nous nous sommes tout de même intéressées aux principes qui pouvaient être mis en jeux dans différents types. La résistance de platine La résistivité électrique des métaux varie également avec la température. Celle du platine un métal précieux a été particulièrement étudié, l or et l argent sont très rarement utilisés car trop bon conducteur, le tungstène, lui, ne l est pas assez. 9

10 Exemple de résistance au platine à côté d un double centimètre (Internet) Pour une résistance de platine Pt100, 100 est la valeur à 0 C puis on a l ensemble des valeurs des résistances en fonction de la température. Par exemple dans un tableau que nous avons trouvé on peut lire R = 18,52 à -200 C, R = 100,00 à 0 C et R = 390,48 à 850 C. Dans d autre cas elle est donnée sous forme de polynôme comme celui de formule de CALLENDAR et Van DUSEN. R ( ) = R (0 C).(1 + a. + b. 2 + c.( 100). 3 ) avec la température en C a = 3, , b = - 5, et c = 0 si > 0 C sinon c = - 4, Il faut donc mesurer une résistance de manière très précise, puis lire une température sur un abaque (tableau ou courbe) ou confier toutes ces taches à une chaine électronique qui affiche directement de manière numérique le résultat. Les thermistances, les CTN Notre CTN sur un ohmmètre Ce sont des composants électroniques dont la valeur de la résistance varie de manière très importante en fonction de la température, non plus de manière linéaire ou polynomiale mais de manière exponentielle. Il existe des thermistances dont la valeur décroît en fonction de la température, on parle de CTN pour Coefficient de Température Négatif, ce sont celles qui existent dans notre lycée. Il existe cependant des CTP avec cette fois une résistance qui augmente fortement avec la température, nous n en avons pas utilisé. La température évolue selon l équation : R =R 25 C e B ( ) Notre relevé dans ce graphique, nous n avons pas cherché l équation Cela nous semble difficile de l utiliser comme thermomètre car c est difficile de pouvoir remonter à la température à partir d une mesure de résistance. En revanche la résistance varie de manière importante et peut être utilisée comme thermostat. 10

11 Le thermocouple Les thermocouples sont des thermomètres basés sur l apparition d un effet thermoélectrique. Lorsqu on soumet les soudures entre deux conducteurs, faits en métaux différents, à une différence de température, il apparaît une tension et un courant, c est l effet Seebeck. Conducteur en métal M µv Conducteur en métal M Conducteur en métal M Soudure à une température 1 Soudure à une température 2 Schéma de principe d un thermomètre à thermocouple Si les métaux M et M sont différents alors il apparaît une tension fonction de la différence de température entre 1 et 2. C est donc une différence de température que mesure un thermomètre basé sur ce principe. Idéalement une référence absolue permet d afficher la température directement, par exemple en mettant une soudure dans un bain de glace fondante à 0 C. Dans la pratique, c est souvent un autre composant électronique qui indique la température de référence. Mesures avec des thermomètres à thermocouple Les thermomètres infrarouge Nous avons également utilisé des thermomètres infrarouge pour effectuer nos mesures. William HERSCHEL a bien découvert les infrarouges en plaçant un thermomètre dans le spectre au-delà du rouge en En 1863, Edmond BECQUEREL avait déjà essayé de lier température et thermoélectricité mais sans succès. En 1878, l américain Samuel LANGLEY invente le bolomètre et réalise les premières mesures de température de la surface de la lune. Un bolomètre est en convertisseur de radiations lumineuses en chaleur dans un absorbeur dont on mesure la variation de température. Visée avec le laser Lecture Le principe de nos thermomètres à infrarouge n est pas simple. Disons qu une optique spéciale forme l image d un point donné (la source dont on veut mesurer la température) sur un capteur. La chaîne électronique considérant qu il s agit d un corps noir parfait transforme le signal reçu en affichage numérique. Il ne fait pas le spectre pour en déterminer le max, puis grâce à la loi de Wien en déterminer la température. Non c est bien plus compliqué que cela. 11

12 La caméra thermique Le fonctionnement de la caméra thermique est encore plus compliqué, voir ses caractéristiques dans l annexe 1. Pour faire simple disons que l optique réglable à la main (car il n y a pas d autofocus) permet d amener l image de l objet sur une matrice (une grille) de bolomètres, 320 x 240. Un pixel correspond donc à la valeur donnée par un bolomètre via une chaine électronique. L écran d accueil de la caméra permet de la paramétrer c est-à-dire de lui indiquer les valeurs de grandeurs qui peuvent influer sur la valeur transmise par le bolomètre comme : La distance de l objet La température de la salle L humidité relative de la salle L émissivité de l objet observé Si les trois premières grandeurs nous sont familières, la quatrième en revanche l est moins. L émissivité est le paramètre qui permet de rendre compte de la réalité : les objets ne sont pas des corps noirs idéaux mais des corps gris. Rien n est vraiment noir ou blanc mais tout est d un gris différent. On appelle émissivité la capacité d un matériau à restituer l énergie qu il reçoit, on peut définir l émissivité comme : = Pour un corps noir = 1, le corps noir est un modèle théorique, quelque chose de parfait. Dans la réalité 0 < <1, on dit alors qu on a un corps gris. Quelques valeurs d après les tables. eau = 0,95-0,96 peau = 0,98 tissu = 0,90 à 0,98 scotch =1.00 alu 0,07 acier 0,08 or 0,02 Pour beaucoup de matériaux, dépend de la longueur d onde mais pas pour la peau ou les tissus dans notre cas. Nous avons mesuré l influence de ces paramètres en prenant une photographie d un même objet en modifiant la valeur d un seul paramètre à la fois. Tout d abord en prenant l une de nous comme cible, et en relevant la température mesurant la température du milieu de son front (35,6 C au thermocouple) en fonction du paramètre émissivité. Puis nous avons réitéré l opération avec une potence métallique qui se trouvait dans la pièce depuis la veille. 12

13 Nous envisageons également de le faire avec un objet métallique poli et chaud, juste pour voir ce qu il en est. Pour conclure, l émissivité est bien un paramètre important à prendre en considération lors de prises de photo avec la caméra thermique. Suivant le type d objet si on met une émissivité trop petite, la camera peut très bien donner soit des valeurs de température beaucoup trop petites ou beaucoup trop grandes. Nous cherchons un exemple où une émissivité trop grande pourrait donner des résultats aberrants. Comparatif Influence sur Mesure température de Type Précision la mesure surface Réponse Avantage Thermomètre à liquide 1 C ou 0,1 C +/- Pas simple Assez lente Pas cher et courant Thermomètre électronique 0,1 C +/- Pas simple Assez lente Pas cher et courant Thermomètre à avec voltmètre 1 C Très faible Simple avec thermocouple avec console 0,1 C Très faible thermocouple goutte Rapide Simple et interfaçable Thermomètre infrarouge 0,1 C Nulle Pas de problème si Mesure à distance Caméra thermique 0,01 C (mais +/-2% ) Nulle l émissivité est bien réglée Instantanée Mesure à distance Exploitation logicielle L influence sur la mesure est basée sur la taille du thermomètre et sur le fait qu il touche ou non l objet dont on veut connaître la température. En effet, un thermomètre à liquide peut, par exemple réchauffer ou refroidir la solution dont il mesure la température car il doit être trempé dedans, alors que comme la caméra thermique ne touche pas la solution, elle ne modifie pas sa température. L isolation, différente selon les matériaux? La température corporelle La température centrale de l organisme doit être maintenue à 37 C, elle peut varier selon différents paramètres mais dans une fourchette assez étroite. Nous avons choisi de mesurer la température du corps de manière non invasive, c est-à-dire sans planter de sonde dans les personnes. Lors d une séance de TPE, en début d année nous avons demandé à nos camarades de bien vouloir nous servir de cobayes pour mesurer la température en différentes parties du corps (sur la peau), avec un thermomètre infrarouge. La température de la salle était de 24,2 C Partie du corps Température mesurée Ecart type Nombre de valeurs Menton 35,1 C 0,8 C 62 Front 35,8 C 0,6 C 62 Nuque 35,6 C 1,0 C 56 Haut Sternum 35,1 C 0,6 C 48 Dos 35,3 C 1,2 C 42 Ceinture 34,3 C 0,8 C 45 Bras 34,2 C 0,7 C 58 Avant-Bras 34,6 C 0,9 C 62 Main 34,4 C 0,6 C 62 Cuisse 34,3 C 0,9 C 44 Jambe 32,9 C 0,6 C 46 Cou-de-pied 33,3 C 0,7 C 62 13

14 La température du corps n est pas homogène, nous choisissons de prendre le haut du sternum comme référence, pour les mesures peau nue ou habillée. Durant nos mesures, tous les corps étaient verticaux, et leur seul contact avec le sol était de par leurs chaussures. Les vêtements et la température corporelle Pour commencer notre projet, nous avons eu l idée de tester la température corporelle de l une de nous avec différents types de vêtements afin de déterminer si les vêtements que nous portons influent sur notre température corporelle. Nous avons pour cela utilisé un thermomètre infrarouge qui mesure la température de notre corps au dixième de degrés près, les mesures furent prises sur le haut du sternum. L expérience a été réalisée dans une pièce, fermée, sans source de chaleur ni courant d air, et une température de 19.1 C. Nos résultats sont consignés dans le graphique ci-dessous : Nous pouvons exploiter les résultats de cette expérience de différentes façons: Déjà, nous pouvons dire que les vêtements que nous portons influent sur notre température corporelle. Nous pouvons donc faire différentes suppositions: Plus les vêtements sont «épais», plus notre température corporelle sera élevée. Les différentes matières n'isolent pas la chaleur de la même façon. Les variations de températures sont différentes selon les individus avec les mêmes conditions (nous avons refait la même expérience avec des personnes différentes). Différents matériaux, différents pouvoirs isolants? Suite à l expérience précédente, nous avons décidé de tester l isolation de différentes matières. Nous avons pour cela, mesuré la température à l intérieur de récipients remplis d eau fermés et «habillé» à l aide de différents vêtements. L eau utilisée est de l eau distillée fraichement, afin de pouvoir toujours travailler avec «la même eau», et sa température initiale sera aux alentours de 37 C, la même que la température du corps humain. 14

15 Récipient «habillé» Photo d une de nos premières expériences Thermomètre Potence Le récipient est suspendu à une potence par une ficelle pour éviter les transferts de chaleur par contact. Nous avons également choisi de ne pas agiter l intérieur du récipient (assez petit). Nous sommes conscientes que la température que nous annonçons est celle au niveau de la sonde. Nous avons toujours fait en sorte qu elle soit le plus près du centre. Voici un exemple de résultat avec une cannette nue, c est-à-dire refroidissant à l air libre. Teau, Tamb ( C) 38 Courbe de refroidissement d'une canette nue Temperature eau Temp rature ambiante 18 Acquisition sur 3h 16 t (ks) Acquisition sur 3h avec une canette nue La température de l eau à l intérieur de la canette décroit pour tendre asymptotiquement vers la valeur de la pièce. Avec une canette de Coca il faut plus de 3h dans une pièce à près de 20,5 C de moyenne sans courant d air, ni soleil. «La vitesse du refroidissement, v R, d un corps inerte est proportionnelle à la différence de température entre ce corps et celle du milieu ambiant.» Si on s intéresse au système {boite de coca} de nos premières expériences. Si on note 1 la température à la date t 1 et plus tard on note 2 la température à la date t 2. On supposera que la température ambiante, amb ne change pas. La variation, (delta), de température c est = fin - début = 2-1 c est négatif car la température diminue, Le temps passe de t 1 à t 2, sa variation est donc t= t 2 -t 1. La vitesse de refroidissement, v R, est donc v R = t (On divise des C par des s. v R est donc en C.s -1 ou K.s -1 ) D après la définition «v R est proportionnelle à la différence de température entre ce corps et celle du milieu ambiant». On peut donc écrire que v R = k ( - amb ) (on ne met pas d indice pour car c est toujours vrai). On peut donc écrire que t = k ( - amb) 15

16 Pour avoir la vitesse exacte, il faut avoir un t très petit, plus c est petit plus c est précis. Quand devient très petit (infiniment petit) on le note d on parle de dérivée et plus de variation. L équation devient alors : d dt = k ( - amb) C est une équation avec une dérivée et sa fonction on dit que c est une équation différentielle. Cette équation admet une solution du type (on ne le démontre pas, on l admet) (t) = amb + ( - amb ) e - t (t) c est la température à l instant t 0 c est la température initiale du corps chaud amb c est la température ambiante de l air qu on suppose dans variation ni courant d air e c est exponentiel, c est un nombre (e= 2, ) t c est le temps qui passe avec t= 0s top chrono quand l objet est à la température 0 le choix du par analogie à la radioactivité que nous verrons en 1S. En radioactivité, c est la constante radioactive = ln(2) t 1 2 Avec t = le temps au bout duquel la radioactivité a été divisée par 2, pour nous t ça sera le temps au bout duquel l écart de température a été divisé par 2. Simulation de la loi du refroidissement dans Géogébra Nous essayons de nous familiariser avec ce modèle que nous verrons en mathématiques l an prochain. Notre logiciel Généris 5+ permet de faire une modélisation : 16

17 Modélisation dans Généris 5+ Le résultat semble en accord avec le modèle (t) = amb + ( - amb ) e - t Avec amb = Tamb = 21,4 C ; =Tini = 37,6 C et = lambda = 1, Nous avons refait la même expérience en habillant la canette avec différents tissus (ici avec une chaussette en laine) Tvetue, Tnue, Tamb ( C) 38 Comparaison canette nue/canette vetue T Vetue T Nue T Amb Acquisition sur 2h 16 t (ks) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 Cette fois nous avons également encore une modélisation exponentielle, la température décroit plus lentement lorsque la canette est isolée. On en déduit assez facilement que l habit ralentit les transferts thermiques. Mais on ne peut pas calculer de valeur d isolation car en permanence nous sommes en régime transitoire entre une eau chaude et une eau froide. De plus la variation de la température n est pas constante, donc de la quantité de chaleur (dans la canette) perdue par unités de temps n est pas la même. Sauf pour un temps très long dans les températures interne et externe sont les mêmes. «Pour pouvoir mesurer une isolation, il faut être en régime permanent» c est ce que nous on dit de nombreuse personnes. Le transfert de chaleur Différence entre température et chaleur Il ne faut pas confondre la température et la chaleur : La température correspond au degré d agitation des atomes ou des molécules : plus ils sont agités, plus la température est élevée La chaleur est une forme d énergie, c est-à-dire une capacité à fournir un travail. Il existe 3 types de transfert de chaleur : la convection, la conduction et le rayonnement. 17

18 La convection Il s agit d un transfert de chaleur qui a lieu entre un corps solide et un gaz ou un liquide. Ce transfert s effectue à partir des endroits plus chauds vers les endroits plus froids. C est un transfert qui se fait par déplacement de matière. Nous avons réalisé une expérience afin de mieux mettre en évidence la convection. Grâce à un thermomètre infrarouge, nous avons mesuré la température à l intérieur d une armoire vide, fermée depuis de nombreuses semaines, en bas et en haut et nous avons constaté une différence de 1 C. En effet, en haut de l armoire, la température était de 21,7 C, et en bas, elle était de 20,7 C. Cette différence ne s explique que par la convection. Nous avons fait le même genre d expérience dans les nombreuses cages d escalier de notre lycée. La conduction Il s agit d un transfert de chaleur qui a lieu au sein d un même type de corps (solide, liquide ou gazeux). Ce transfert s effectue à partir des endroits plus chauds vers les endroits plus froids. C est un transfert sans déplacement de matière, la chaleur se propage de proche en proche. Pour nous rendre compte par nous-même de ce phénomène, nous avons réalisé une expérience qui consiste à prendre une bande de tissu, mettre des bouchons avec de la cire dessus et les coller à cette bande (qui sera chauffée à une extrémité par une plaque chauffante). Nous déterminerons au bout de combien de temps tel ou tel bouchon sera tombé, cela signifiera que la cire aura fondu et donc que la chaleur se sera diffusée sur le tissu) : Collage de bouchon à la cire Temps Nb de bouchon tombé 0 s s s 2 L écart entre les bouchons est de 5cm, le tissu touche la plaque chauffante, pour éviter la conduction avec les autres matériaux. Même expérience suivie avec la caméra thermique Début de l expérience Après 5min Après 15 min Seuls 2 bouchons sur les 6 sont tombés, cela signifie qu avec le tissu, la conduction a ses limites. Le rayonnement Il s agit d un transfert de chaleur qui a lieu sans contact mais par l intermédiaire d ondes. Par exemple avec le soleil qui réchauffe la terre après 1,5 milliard de km dans le vide. 18

19 Nous avons tenté de déterminer l influence du rayonnement, et seulement du rayonnement, grâce à une cloche à vide. Nous avons mis un thermomètre au congélateur, puis nous l avons mis dans une cloche à vide afin de voir au bout de combien de temps celui-ci remontait à température ambiante, uniquement avec le rayonnement. La température augmente relativement rapidement, puis un peu moins jusqu à se stabiliser à 22,5 C. Au bout de 48 minutes, nous avons rétabli la présence d air dans la cloche, la température remonte immédiatement à 26,2 C, soit la température de la pièce. Mesure de résistance thermique Pour savoir comment on mesure les résistances thermiques des matériaux, nous sommes allés voir les professionnels de l isolation dans le bâtiment c est-à-dire les professeurs de Génie Civil et de Froid et Climatisation. C est un bâtiment assez éloigné de celui de l enseignement général, mais nous avons pris plaisir à aller à la rencontre d un savoir et savoir-faire technologique qu on ne nous enseigne pas habituellement. Lors de notre recherche de la caméra thermique dans notre lycée, nous avons entendu parler d un lambdamètre. Nous nous sommes renseignées sur ce que c était et son utilité et nous nous sommes mises à la recherche de cet objet qui pourrait nous être utile. La résistance thermique, R th, d un échantillon supposé plan et de dimensions infinies (pour négliger les effets de bords) est définie par la relation. R th = e. Où, e est l épaisseur du matériaux et, la conductivité thermique du matériau. Le lambdamètre Recherche d un lambdamètre Cependant, il nous a été impossible de retrouver ce lambdamètre, du moins dans un délai raisonnable, car personne ne l utilise plus en TP pour mesurer des conductivités thermiques sur des matériaux de chantier tels que des panneaux d isolant ou de carreaux plâtre et autres briques. Les professeurs nous ont expliqué les principes de fonctionnement et prêté quelques livres. Nous avons donc choisi d en fabriquer un nous-même pour faire des mesures. Le principe. Il faut créer un flux thermique stationnaire connu et mesurer la température sur chaque face du matériau à tester. Pour cela, nous avons réalisé un sandwich avec deux plaques isolantes entre lesquelles nous avons placé une résistance chauffante plane. Sur cette plaque chauffante, un thermocouple nous permettra de connaître la température de la plaque. Sur cette plaque, nous posons le vêtement à tester et installons un autre thermocouple sur ce vêtement. Pour des raisons de symétrie du flux, nous avons choisi de mettre la même de part et d autre de la résistance chauffante. Un poids de 5 kg (un 19

20 poids de lancer) assure le plaquage du tout et évite les fuites thermiques au niveau de la jonction entre les plaques, des photos prises avec la caméra thermique n en montrent pas. La plaque inférieure ne repose pas directement sur la table mais sur des cales en bois pour avoir une symétrie. Dans l industrie, il y a présence d un petit ventilateur qui assure une homogénéité autour de la plaque, nous y avons renoncé pour alléger notre montage et surtout parce que nous n avons pas remarqué de différence significative avec ou sans ventilateur. Poids de lancer 5kg Echantillon tissu supérieur Polystyrène (épaisseur 80 mm) Table Polystyrène (épaisseur 80 mm) Résistance chauffante Cale en bois Schéma de principe de notre lambdamètre Echantillon tissu inférieur Nous avons choisi de ne pas représenter les thermocouples qui se situent de part et d autre de l échantillon de tissu. L une est à l interface résistance/tissu et l autre à l interface tissu/plaque de polystyrène. A l aide «d un compteur d énergie» que nous avons acheté chez Leroy Merlin nous mesurons la puissance électrique délivrée par la résistance, où nous pouvons la retrouver en mesurant l énergie en Wh (3600 J) pendant un certain temps mesuré au chronomètre. Mesure de puissance Mesure d énergie utilisée La puissance que nous avons mesurée est bien de 7 W, très exactement 7,04 W puisqu en faisant une mesure sur 24,00 h, nous avons une consommation de 169 Wh. Les dimensions de la résistance chauffante étant de 21,6 cm sur 21,5 cm cela fait une surface de 4, m². Nous pouvons alors calculer le flux thermique délivré par chacune des faces. = P S Où est le flux thermique en W.m -2, P la puissance énergétique, en W, qui passe dans la surface S en m². Ici avec notre 7,04 2 installation = 4, = 75,9 W.m -2 pour chaque face, c est une valeur voisine de celle du corps humain, c est pour cela que nous avions choisi cette résistance. Nous mesurerons très prochainement avec un fluxmètre thermique Initio de chez Jeulin la valeur de ce flux. 20

21 La résistance thermique, R th, en K.m²/ W est donnée par la relation R th = Où est la différence de température entre les deux faces en K (ou en C), le flux thermique en W.m -2. Les mesures Nous avons effectué des mesures sur différents tissus les résultats sont consignés ci-après. Type Matière ( C) R (K.m²/ W) R en Clo Surface (m²) Masse (g) g/m² T-shirt Coton 1,1 0,014 0,090 0, ,12 168,2 T-shirt (OdP) Coton 2,5 0,033 0,21 0, ,05 251,3 Pantalon Coton (Jean) 3,2 0,042 0,27 0, ,51 431,3 Short Coton (Jean) 2,3 0,030 0,19 0, ,32 743,8 Chemisier 70% coton, 30% nylon 0,5 0,006 0,04 0, ,47 242,9 Débardeur Licra 1,5 0,020 0,13 0, ,76 301,3 Débardeur Polyester 0,5 0,006 0,04 0, ,27 235,5 Chaussette Laine 0,5 0,006 0,04 0, ,22 483,7 Echarpe Laine 7,8 0,103 0,66 0, ,32 469,5 Le clo sur nous Le clo est une unité d isolation vestimentaire, de l anglais clothes. 1 clo vaut 0,155 K.m²W -1. Il faut donc connaitre notre flux thermique et notre surface afin de déterminer notre isolation vestimentaire. Calcul de la surface de notre corps Pour calculer la surface de notre corps, nous avons pris notre corps pour un pavé droit afin de calculer l aire facilement : Aire = 2x (Hauteur x Largeur) + 2x (Hauteur x Taille) Nous avons calculé cette surface pour nos trois corps et avons obtenu différentes valeurs : Anaïs : 2,26 m² Baptistine : 1,86 m² Laurine : 1,89 m² Nous avons alors pensé à calculer notre surface plus précisément, en prenant notre tête pour une sphère, nos bras, jambes et cou pour des cylindres et notre torse pour un pavé : Aire du cylindre : 2πrh + nombre de bases x (πr²) Aire d une sphère : 4πr² Aire du pavé : 2x(Lxl)+2x(hxL)+2x(hxl) Anaïs : 1,92 m2 Baptistine : 1,75 m2 Laurine : 1,82 m2 Il existe des formules empiriques pour estimer la surface du corps à partir de la taille et de la masse d une personne. On en compte une bonne dizaine d après nos camarades qui font des études de médecine. Nous pensons plus qu il faudrait affiner un calcul en fonction des mensurations plutôt que par une formule empirique. Nous retenons l ordre de grandeur de 1,80 m². 21

22 Energie et puissance La puissance est l énergie (captée, cédée ou transférée par notre corps) par unité de temps. Elle s exprime en watt. D après les formulaires de médecine, compte tenu de nos âges de notre croissance de notre sexe, on peut estimer nos besoins énergétique à E= 2220 kcal (une précision médicale pas de physicien!) 1 joule = 1 cal x 4,185. Donc ici, E= 4,185 x = J 1 Soit environs E= 9, J Une journée durant 24 x 3600 = secondes On a donc P = 9, = 107 W La puissance d une personne est d environ 100 watts. Si on prend une ampoule de puissance 100 Watts qui est la même puissance que celle d une personne. Sa surface est de 0,008 m² soit 250 fois inférieure à celle du corps humain. Cependant, la même puissance est dégagée, c est pour cela que l ampoule dégage plus de chaleur qu un corps humain. La température d un corps dépend de sa puissance mais aussi de sa surface. Flux thermique de notre corps P Le flux thermique c est la quantité de chaleur qui passe dans une surface dans un temps donné. C est équivalent à la puissance par unité de surface Pour notre cas = 107 1,80 = 59,4 W.m- ² Notre flux thermique est voisin de 60 W/m² La caméra thermique = P S Nous avons fait des recherches afin d obtenir une caméra thermique, d abord à la faculté de Calais où nous avons contacté Christophe PRZYGODSKI (rencontré lors de journée à la fac l an dernier) par le biais de Monsieur BURIDANT, mais nous ne sommes pas parvenus à la récupérer du fait notamment de démarches très longues. Cependant, nous sommes allées dans la section génie civil de notre lycée afin de nous renseigner sur différents appareils comme le lambda-mètre auprès de Monsieur FRANÇOIS, qui nous a parlé d une caméra thermique qui se trouverait au sein même de notre lycée. Il nous a envoyé voir Monsieur FLAHAUT puis Monsieur DEMARTHE qui nous a présenté Monsieur BEDLE. Celui-ci nous a expliqué le fonctionnement de la caméra et nous a donné quelques exercices à faire afin de nous familiariser avec son utilisation. Ensuite, il nous a dit qu il pourrait nous prêter cette caméra chaque mercredi après-midi et c est ainsi que nous avons pu commencer à réaliser nos mesures et nos photographies. Empreinte thermique L empreinte thermique est une empreinte que nous laissons sur chaque chose que l on touche et qui disparaît en se refroidissant petit à petit, à une vitesse différente selon les matériaux. Main posée sur du tissu avec la caméra thermique Empreinte thermique restée sur le tissu après avoir enlevé la main 1 Waouh quand même! Il se trouve que le code SMS du 9 est le W, le 2 pour le A. Le nom de code de notre projet était né WAWBAL3 BAL pour nos prénoms, 3 pour notre nombre ( au lieu de ,% soit 0,015 d écart) 22

23 Nous remarquons qu il reste une trace de la main, même après que celle-ci a été enlevée du tissu : c est ce que l on appelle l empreinte thermique. Nous avons alors pensé à regarder l empreinte thermique sur différents types de tissus afin de savoir si celle-ci variait selon la matière. Nous avons donc pu établir le tableau suivant : Type de vêtement Pull col roulé T-shirt polyester T-shirt Licra Débardeur synthétique Débardeur coton Chaussette fine Chaussette laine Temps de persistance 43 s 32 s 28 s 14 s 29 s 5 s 9 s Nous remarquons donc que l empreinte thermique que nous laissons sur chaque tissu est différente selon le type de vêtement (donc son épaisseur) et selon sa matière. A partir de cela, nous pouvons déduire que certaines matières (le coton par exemple) conservent beaucoup mieux la chaleur que d autres (comme le synthétique). Imprégnation thermique L imprégnation thermique est l empreinte thermique qui passe à travers des couches de tissus et que l on voit toujours avec la caméra thermique en enlevant certaines couches de tissus. Nous avons testé le nombre de couches de tissus sur lesquels nous apercevions l empreinte thermique après avoir posé notre main selon un temps précis en secondes. Nous pouvons remarquer qu il semble y avoir une relation entre ces points (aux erreurs d expérience près). Nous nous sommes demandé si cette imprégnation était identique pour tous les individus, et avons donc testé cette expérience sur nous trois. Cependant, elle varie selon les individus et n est pas proportionnelle de la même façon pour chacun de nous. En effet, La courbe qui concerne Laurine augmente moins abruptement que celles concernant Baptistine et Anaïs. Ici, nous pouvons voir une photo, prise avec la caméra thermique, de nos trois mains lors de l expérience précédente. En effet, nous avons posé notre main sur une pile de tissus pendant 10, 30 et 60 secondes et avons constaté, à l aide de la caméra thermique, le nombre de couches de tissus sur lesquelles notre empreinte thermique était imprégnée. Nous avons obtenu le graphique suivant : 23

24 Le nombre de couche imprégnées thermiquement dépend de temps de contact et de la personne. Corps humain et tissus Avec la caméra thermique, nous avons eu l idée de regarder notre corps habillé de différents vêtements, afin de voir si ceuxci isolaient différemment. Plus la couleur obtenue sur le vêtement représente une température plus froide que celle de notre peau, plus le vêtement est isolant. Nous avons commencé par les chaussures et avons testé l isolation de différentes chaussures au repos, au bout de 30 sec d effort léger puis au bout d une minute d effort intense. Type de chaussure Au repos Après 30 secondes Après 1 minute Ballerine La ballerine isole bien, excepté au niveau du gros orteil. Plus de chaleur passe à travers la ballerine. Un peu plus de chaleur passe à travers la ballerine Bensimon Cette chaussure isole assez bien, sauf au niveau de la languette. La chaleur passe plus qu au repos, et plus que la ballerine ci-dessus. La chaleur passe encore plus, et également plus que la ballerine 24

25 Bottine Cette botte isole très bien, et assez uniformément Il y a une perte de chaleur au niveau de la partie de la botte qui touche directement le pied. Nous avons une perte de chaleur importante partout sur la botte Les différentes chaussures n isolent pas la chaleur de la même façon et ne réagissent pas pareillement aux augmentations de chaleur dues à l activité physique. Nous avons ensuite effectué une expérience avec des vêtements dans une salle à 22,3 C : Nous avons mis le vêtement et attendu que notre température s adapte Nous avons, à l aide de capteurs, mesuré la température sur notre peau et au-dessus du vêtement afin de connaître l écart de température chaque vêtement pouvait contenir. Nous avons ainsi pu calculer la résistance thermique de chacun d entre eux par la relation : Ou R t est la resistance thermique en K.m²W -1 R t = est la différence de température en C ou en K est le flux thermique estimé à 59,4 W.m -2 Pour convertir en Clo il faut simplement diviser par 0,155 la valeur de Rt Vêtement Photos Caméra thermique température (peau) C température (vétement) C Ecart de température C Isolation vestimentaire K.m²W -1 Clo Débardeur ,067 0,43 Tee-Shirt ,067 0,43 Débardeur ,067 0,43 Dos-nu ,067 0,43 25

26 T-Shirt fin ,067 0,43 Pull fin ,067 0,43 Veste ,134 0,87 Blouson ,151 0,98 Gros pull en laine ,134 0,87 Collants ,084 0,54 Echarpe ,101 0,65 Bonnet ,067 0,43 Gants ,067 0,43 26

27 Chaussette ,016 0,11 Pantacourt ,016 0,11 Nous sommes conscientes que les valeurs d isolation thermique en K.m²W -1 ou en Clo sont très affectées par l imprecision de la mesure de l écart de température C, ici avec un thermomètre à thermocouple avec seulement une précision de 1 C. les photos issues de la caméra thermique seront exploitées après notre visite du centre de recherche de chez Décathlon/Oxylane (décrite en annexe). Nous avons réalisé la même expérience dehors, avec un vent faible et une température moins élevée, et nous avons constaté les mêmes valeurs en-dessous et au-dessus du vêtement : Nous pouvons donc dire que la température ambiante influe peu ou pas sur la capacité d isolation de chaque vêtement Cependant, avec les mêmes vêtements, nous ressentons plus de «froid» au vent à l exérieur, qu à l intérieur. Plusieurs T-shirts Nous avons eu l idée ensuite de voir l effet de la multiplication de vêtements identiques. M. BURIDANT nous a proposé de nous prêter sa collection de Tee-shirt Olympiades de Physique France. Cela fait 10 ans qu il y participe, on comprend qu il y tienne beaucoup, on a bien compris ce qu un seul d entre eux représente comme travail. Il nous a aussi prêté sa collection C.Génial et Lycée Branly. Merci Monsieur, on espère bien vous en faire gagner des autres. Nous avons donc décider d enfiler plusieurs Tee-shirts à la suite et de mesurer la température sur notre peau puis au-dessus du T-shirt afin de voir si, plus nous mettions d épaisseurs, plus l isolation était importante et nous voulions savoir s il y avait un rapport entre ces deux paramètres. La température de la pièce (le couloir du 3 ème étage) était de 21,6 C. 27

28 Nous remarquons que la température de notre peau augmente progressivement de 33 à 36 C. Cependant, la température sur le Tee-shirt diminue assez rapidement puis se stabilise à 22 C : c est la température de la pièce. A partir de 8 épaisseurs de vêtements, l isolation est complète. La différence passe de 5,8 C (pour un T-shirt) à 14,4 C (pour 17 T-Shirts). Il n y a pas de proportionnalité mais globalement on passe de 0,63 à 1,56 Clo. Photos ce l expérience dans le couloir du lycée 1 épaisseur 3 épaisseurs 8 épaisseurs 17 épaisseurs Nous avons choisi l option T-shirt flottant, c est un choix l autre c est le T-shirt dans le pantalon. Sur les photos thermiques, on voit qu au fur et à mesures de l empilement de couches, que la température du T-shirt externe est de plus en plus homogène. Il faudrait faire l expérience par grand froid en extérieur, on pourra sûrement le faire pendant notre semaine à la montagne au mois de janvier. 28

29 Le sac poubelle Nous nous sommes ensuite intéressées aux matières synthétiques qui pourraient être dignes d intérêt pour leur pouvoir isolant très différent des autres. Nous avons testé une expérience sur un sac poubelle, car il nous paraissait être une matière très surprenante par sa composition et son utilité dans la vie de tous les jours. Nous nous sommes demandé si nous pouvions voir à travers ce sac poubelle, en prenant le jeu auquel nous jouions lorsque nous étions petites, demandant le nombre de doigts. Nous ne pouvons apparemment pas. Mais nous pouvons assurer que dans la première photo, il y a un doigt, et dans la deuxième, il y en a cinq. En effet, nous avons découvert un moyen très simple pour découvrir ce nombre, il suffit de pointer la caméra thermique sur le sac poubelle, et celui-ci paraît transparent : nous voyons clairement les doigts : La main cachée dans un sac poubelle noir (combien de doigts?) Le sac poubelle laisse donc passer la chaleur, nous avons alors pensé qu il pouvait exister des vêtements qui laissaient eux aussi quasi transparents aux infrarouges thermiques. Réponse avec la caméra thermique Le mannequin Recherche de mannequin Depuis le moment où nous avions choisi ce sujet, nous savions que le meilleur moyen d arriver à prouver ce que nous avancions était de le faire sur un mannequin que l on peut trouver en magasin. Tout d abord, nous sommes allées exposer notre requête dans tous les magasins de la ville de Boulogne-sur-Mer, mais ceux-ci nous ont dit qu ils ne pouvaient pas prendre la responsabilité de nous faire un tel prêt car en effet le prix est élevé. Nous avons donc abandonné l idée après ces nombreux refus. On a donc tenté d en réaliser un nous même en aluminium, puisqu après des expériences on a conclu que l aluminium était le matériau le plus adapté. Après avoir effectué un bras et le buste on s est très vite aperçu que les parties que nous avions commencées comportaient des fuites, et que nous allions rencontrer de nombreux problèmes pour les assembler. Nous avons donc repensé à l idée qu il serait bien mieux d en obtenir un grâce à un magasin. Nous avons donc rédigé une cinquantaine de lettres que nous avons envoyées aux sièges sociaux des différentes grandes enseignes. Après quelques semaines, nous avons reçus peu de réponses et le peu que nous ayons reçu ce sont des réponses négatives. (2) On a donc tenté une autre méthode, on a envoyé des s à des grands magasins. Nous avons eu plus de réponses mais toujours toutes négatives. Après un conseil de NIKE, nous nous sommes tournées vers les sites internet notamment 29

30 LeBonCoin, où nous sommes heureusement tombées sur un mannequin provenant d un magasin ayant fait faillite sur Boulogne-sur-Mer. En attendant de rencontrer la personne, un professeur du Génie Civil nous a donné la très bonne idée d aller voir au Lycée CAZIN, dans la section habillement, pour voir s il n y en aurait pas un de disponible. Nous y sommes donc allées et nous avons rencontré le Proviseur qui nous a gentiment accueillies dans son établissement. Après avoir exposé notre sujet, il nous a donc annoncé que les mannequins, dans son lycée, étaient uniquement en tissu ce qui ne convenait pas à notre demande. Nous avons repris contact avec la dame qui vendait ce mannequin sur internet, et nous sommes allées la rencontrer sur place une première fois. Après réflexion, nous y sommes retournées quelques jours plus tard, et nous l avons acheté. L eau,ici, est chauffée à 50 C, et l eau dans la bouteille est à 50 C aussi donc il n y a pas de perte de chaleur dans le tuyau. Le tuyau d entrée d eau va jusqu au fond de la bouteille afin qui l eau aille partout. C est également la raison pour laquelle le tuyau de sortie d eau est relié à la bouteille par le haut, afin que la bouteille se remplisse totalement. Grâce à la caméra thermique, nous pouvons voir que la chaleur est bien uniforme au sein de cette installation. De plus, il n y a pas de fuite d eau : Notre montage est prêt, nous pourrons reproduire avec notre mannequin. Préparation du mannequin Nous avons commencé par démonter les membres pour voir comment ils étaient faits : Nous les avons percés afin de pouvoir y mettre les tuyaux : 30

31 Nous avons cherché à lui trouver un nom, qui aurait un rapport assez proche avec notre sujet : Nous avonc donc choisi CLOE : - Déjà pour le nom de l unité d isolation vestimentaire qu est le CLO - Puis le E pour l énergie Nous avons inséré dans chaque partie, un tuyau d entrée et un de sortie afin que l eau puisse circuler partout et que la température à l intérieur du mannequin reste uniforme. L eau circule à l aide de cinq pompes d aquariophilie, qui assure aussi un brassage des 20 L d eau chauffée par des résistances chauffantes. Nous avons essuyé quelques fuites Nous avons poncé afin de pouvoir colmater les fuites. Le ponçage permet au mastic d adhérer plus à la surface du mannequin. Puis, enfin, après de longues heures de travail, nous avons enfin réussi à habiller Cloé, afin qu elle puisse nous aider dans notre projet. L équipe est prête pour les mesures Tenue réglementaire de labo Début des mesures pendant la mise en chauffe 31

32 Image obtenue avec le mannequin et la caméra thermique. Après bien des efforts nous avons réussi obtenir des images de Cloé à l aide de notre caméra thermique en voici quelques images : T-shirt Olympiades T-shirt fin Veste manche longue Le moins qu on puisse dire c est que ces images sont contrastées. La température n est pas homogène. Cette hétérogénéité a plusieurs causes : Les vêtements sont faits dans des matières différentes, ou peuvent être construit en différentes parties. Il peut y avoir des surépaisseurs (par superposition volontaire) ou des amincissements (pour les ouvertures zip), Il peut y avoir des zones de contact entre la peau et le tissus, ou l inverse il peut y avoir une lame d air enfermée ou libre, Il peut y avoir également des causes externes au vêtement l eau qu elle provienne de la pluie ou de la sudation (non prévue ici) entraine automatiquement, une baisse de température. Tous ces paramètres doivent être pris en causes pour une approche globale du vêtement, ce qui montre sa complexité. Et son intérêt. Mesure de la température. La mesure de température sur les photos thermique se fait par le logiciel fournit par le constructeur. Il est facile à prendre en main avec le curseur on sélectionne des zones (en évitant soigneusement les bords) et les températures s affichent. Pour ce cliché, le polygone 1 (haut du buste Pol1) donne une température moyenne de 33,44 C et pour le vêtement (Pol2) la température moyenne annoncée est de 30,66 C. Pour ce débardeur l écart de température est donc de 2,8 C. Incertitude de la mesure D après la notice : Mesure Gamme de température -20 C ~600 C (standard) Jusqu à 1500 C en option. Précision ±2 C ou ±2 % Donc pour une température de 37 C on devrait dire par exemple 37 ± 2 C ou 37 ± 0,74 C évitons cette écriture en disant que pessimiste nous préférons majorer l erreur et préférer l écriture 37 ± 2 C, l erreur absolue est alors de = 2 C Continuons de lire la notice Détecteur Type Microbolomètre UFPA Plage Détecteur spectrale 8 ~14 μm Résolution 160 x

33 Le logiciel d exploitation nous permet de de faire une moyenne sur une zone de l image. Admettons que la zone que nous 160 x 120 sélectionnons ne fasse qu un quart de l image, cela nous fait une moyenne sur = 4800 points de mesures. 4 Or une moyenne c est avant tout une somme divisée par un entier naturel. Dans nos cours sur les incertitudes il est écrit : «Dans le cas d Addition (ou de soustraction) de grandeurs, le carré de l incertitude Absolue est égal à la somme des carrés des incertitudes absolues des grandeurs» Donc ici nous pouvons dire que l incertitude absolue de la somme est ² x =.. Alors l incertitude absolue de la moyenne est. = = = 0,029 ou 0,03 C. En tout cas on peut annoncer des résultats à 0,1 C près sur des zones sélectionnées assez grandes, si on refait le calcul sur l ensemble de l image on retrouve bien les 0,01 C annoncées par le logiciel. Une simulation dans Excel nous conforte dans notre analyse. Mesure du flux thermique de Cloé M. JACOB nous a recommandé d utiliser des fluxmètres thermiques, nous en avons reçu et nous apprenons à les utiliser. Nous avons procédé comme les mesures sur nous. Mais cette fois nous avons estimé la surface par des relations empiriques professionnelles, nous trouvons 1,83 m². Pour la puissance nous avons utilisé le compteur d énergie. Voici un exemple de mesure de puissance moyenne délivrée pour chauffer l eau sur une durée de 3 h 05 min, avec une température corporelle de 34,28 C au niveau du sternum. t =0 s t = 3h05min = 185 min = s Ici la consommation d énergie est de 3,517 3,130 = 0,387 kwh soit 387Wh, soit 387 x 3600 = 1, J. La puissance est donc de P= 1, = 125,51. On peut estimer la puissance à 125 W c est un peu plus que pour notre puissance biologique, mais c est quand même un bon ordre de grandeur. Le flux thermique est donc = 125 = 68,3 W.m-2 1,83 C est certes une valeur moyenne sur quelques heures mais une bonne estimation du moins à notre avis. Nous avons suivi les conseils de M. JACOB et suivi toujours le même protocole : Le mannequin est habillé complétement Jean + chaussette + chaussures + le vêtement à tester. Une fois habillé on attend que la température se stabilise (15-20 min) puis on fait des mesures. Puis on recommence le cycle Nous avons effectué les mesures 3 fois avant de pouvoir en faire des moyennes qui nous ont permises de calculer les valeurs d isolation vestimentaires. Elles sont consignées dans le tableau ci-dessous. 33

34 Nom du vêtement Matière C mesuré Ecart type Résistance thermique en Clo (± erreur) Débardeur Licra 1,3 0,15 0,13 ± 0,04 Débardeur Polyester 2,0 0,25 0,19 ± 0,06 Dos nu Coton 2,2 0,25 0,21 ± 0,06 Débardeur Coton 2,2 0,15 0,21 ± 0,04 T-shirt (OdP) Coton 3,2 0,15 0,30 ± 0,04 T-shirt Coton 3,5 0,31 0,33 ± 0,07 Collant Laine 3,9 0,12 0,36 ± 0,03 Pull fin Laine 4,0 0,25 0,37 ± 0,06 Echarpe Laine 5,7 0,25 0,54 ± 0,06 Jean Jean 5,9 0,40 0,56 ± 0,10 Pull épais Laine 6,0 0,36 0,56 ± 0,09 Veste Polyester 7,6 0,60 0,71 ± 0,15 Echarpe Laine 8,2 1,04 0,77 ± 0,25 Polaire Synthétiques 8,4 0,20 0,79 ± 0,05 Blouson Cuir 9,3 0,35 0,88 ± 0,08 Tenue ski Anaïs Composite 12,7 0,58 1,19 ± 0,14 Tenue ski Laurine Composite 16,3 1,15 1,54 ± 0,28 Couverture de survie Mylar 21,0 6,56 1,98 ± 1,58 Ce sont NOS valeurs obtenues sur NOTRE mannequin avec notre caméra thermique. Nous donnons la valeur sur trois mesures, l écart type et la conversion en Clo. Pour le calcul d incertitude, nous utilisons 2,56 écart-type ce qui nous permet d avoir une meilleure estimation de la valeur réelle (99%). Les valeurs, que nous obtenons, différent un peu de celle obtenue avec les thermocouples mais reste du même ordre de grandeur. Pour les vêtements légers, on retrouve des valeurs similaires à celle qui sont connues dans la littérature ou par les laboratoires mesurant des valeurs sur des produits commerciaux. En revanche, pour les produits très isolant nous en sommes assez éloignées car nous avons travaillé à température ambiante c est-à-dire autour de 20 C dans notre local Olympiade. L exemple le plus marquant est la couverture de survie dans laquelle nous avons taillé un T-Shirt. Laurine s est dévouée pour aller le tester dehors par une température de 6 C et HR 68%. Image thermique de Laurine en T-shirt (couverture de survie) Et pourtant elle a chaud, l écart et de près de 30 C, le Mylar a sa face externe à la température de l air. Nous pensons qu il faudrait une température encore plus basse pour pouvoir mesurer son efficacité thermique. 34

35 Conclusion Au cours de notre projet, nous avons pu découvrir et apprendre de nouvelles choses, au fur et à mesure que nous avancions. En effet, travailler sur l isolation des vêtements nous a permis de connaître les matières (et matériaux) plus ou moins isolantes afin de pouvoir nous habiller confortablement selon le temps, par exemple lors de notre séjour au ski. Nous avons commencé par étudier différents thermomètres et leurs caractéristiques. Nous en avons déduit que la caméra thermique nous serait d une grande utilité pour l usage que nous voulions en faire : elle est très précise, n influe pas sur la mesure, donne la valeur instantanément et les images thermiques peuvent être traitées par un logiciel. Nous avons ensuite étudié les variations de température corporelle en fonction des vêtements portés et nous avons pu voir que les vêtements que nous portions modifiait beaucoup notre température corporelle : le confort thermique est atteint si la température corporelle reste stable tout le temps. A l aide d une caméra thermique, nous avons étudié l empreinte et l imprégnation thermique sur différentes matières et constaté que l empreinte et l imprégnation thermique sont propre à chaque matière, et l imprégnation thermique varie selon l individu. Pour continuer, nous avons étudié les différents modes de transfert de chaleur. La conduction, qui a lieu lorsque deux corps se touchent, la convection, qui se produit lors de déplacement de matière, et le rayonnement, qui est omniprésent (tout corps, même humain émet un rayonnement). Nous avons ensuite mesuré notre surface (d ordre de grandeur 1.8m²) afin de calculer la puissance et le flux thermique d un corps humain qui est d environ 60 Watts. Puis nous avons réalisé des mesures sur notre corps, qui nous a permis de comparer une première fois les différents tissus, par exemple, une chaussette fine en laine isole 10 fois moins qu une écharpe en laine. Nous pouvons aussi dire qu à partir d un certain seuil, rajouter des épaisseurs de tissus sur soi est inutile : il y a une limite. Nous avons, grâce à un lambdamètre, étudier les différences d isolation entre différents échantillons de tissus afin de comparer les matières : nous sommes arrivées à établir un ordre, du plus isolant à celui qui l est le moins. Nous avons également comparé l isolation d un vêtement à celle de différents matériaux : il faut par exemple 60 mètres de cuivre pour isoler autant qu un simple vêtement ayant une isolation thermique de un clo! (voir annexe) Finalement, après notre visite à Décathlon campus /OXYLANE, nous avons choisi de réaliser nos mesures sur un mannequin chauffé thermiquement à 37 C. Nous l avons habillé de différents vêtements pour pouvoir les comparer le plus précisément possible. Cependant la résistance thermique n est pas le seul élément à prendre en considération pour apprécier le confort thermique, la perméabilité à la vapeur d eau est également un facteur important. Nous commençons à essayer de la mesurer. La semaine du 25 janvier au 1 er février, nous partons en classe de montagne non seulement pour faire du ski, mais aussi pour faire de la physique pour notre projet en faisant des mesures par grand froid et en demandant à nos camarades leur ressenti thermique. Nous sommes désolées de ne pouvoir vous donner tous ces résultats dans notre dossier. 35

36 Bibliographie BOAN, Ying. Physical mechanisms and characterization of smart thermal clothing. Juin 2005 CANDAS, Victor. Confort thermique. Ed. Techniques Ingénieur, FOURT, Lyman, HOLLIES, Norman RS, et al. Clothing comfort and function. Clothing comfort and function., HOLOPAINEN, Riikka, et al. A human thermal model for improved thermal comfort. VTT Technical Research Centre of Finland, KUKLANE, Kalev, GAO, Chuansi, HOLMÉR, Ingvar, et al. Calculation of clothing insulation by serial and parallel methods: effects on clothing choice by IREQ and thermal responses in the cold. International Journal of Occupational Safety and Ergonomics, 2007, vol. 13, no 2, p MARTINET, C., et al. Travail à la chaleur et confort thermique MCCULLOUGH, ELIZABETH A. et KENNEY, W. Larry. Thermal insulation and evaporative resistance of football uniforms. Medicine and science in sports and exercise, 2003, vol. 35, no 5, p PSIKUTA, Agnieszka. Development of an artificial human for clothing research SERWATKA, Agnieszka. Contribution à la modélisation et à la simulation de vêtements sur mannequin adaptatif Thèse de doctorat. Lille 1. ST-PIERRE, Dave. Modélisation du corps humain par une approche surfacique et étude de sa variabilité Thèse de doctorat. École de technologie supérieure. STOLWIJK, J. A. J. et HARDY, J. D. Temperature regulation in man a theoretical study. Pflüger's Archiv für die gesamte Physiologie des Menschen und der Tiere, 1966, vol. 291, no 2, p TEULE G.J.J., van der Vusse G.. Human thermoregulation. Janvier 1976 THOMASS Thierry. Les unités du domaine vestimentaire. Disponible sur : VOELKER, Conrad, HOFFMANN, Sabine, KORNADT, Oliver, et al. Heat and moisture transfer through clothing

37 Remerciements M. Olivier BURIDANT, professeur de physique chimie, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Didier SORET, professeur de mathématiques, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Patrick RYVES, professeur de physique chimie, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Christophe VERNA, professeur de SVT, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Frédéric BEDLÉ, professeur de génie civil, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Philippe LOUCHART, professeur de génie mécanique, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Fabrice FRANCOIS, professeur de génie civil, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Christian LAURENT, professeur de génie civil, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Joël JAMROZIK, professeur de génie civil, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Michel VERTUEUX, professeur de génie civil, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Yves LOEUILLET, professeur de génie mécanique, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Stéphane DEMARTHE, professeur de génie mécanique, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Jean-Christophe FLAHAUT, professeur de génie mécanique, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Patrick GALIOT, professeur de physique chimie, lycée Mariette, Boulogne-sur-Mer. Mme Florence LEBLANC, professeure de lettres modernes, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Michel FOUCHER, professeur de génie civil, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Michel FOUCHER, professeur de génie civil, ULCO. M. Christophe PRZYGODSKI, Enseignant chercheur, ULCO. M. Jean LÉONARD, Laboratoire CENTEXBEL, HERVE (CHAINEUX), Belgique. M. Arnaud DURIEUX, professeur de physique chimie, notre rapporteur lors du concours régional. M. Yves CLAUDE, Directeur Général d'oxylane. M. Benjamin JACOB, DECATHLON campus, OXYLANE Research, Thermal Sciences Laboratory, Villeneuve d Ascq. M. Olivier GENOUX, CPE, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Sébastien POTTIEZ, service informatique, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Fabien VIOLIER, service informatique, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. Melle Clémence DUFLOS, Anne HANQUIEZ, Hortense JOLY, Marion CHRETIEN, Mathilde GOBERT, Camille DUBART, étudiantes en médecine. Mme Christine RIGOLLET, Proviseure, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Matthieu VAAST, Proviseur Adjoint, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Régis LOONIS, chef des travaux, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. M. Eric FOUCHOU-LAPEYRADE, agent comptable, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer. Mme Patricia CAROEN, Sylvie DELETOILLE, Betty HENGUELLE et Véronique PRUVOT et MM. Gaël DANEL, Romain LAMARRE et Bruno HERMAND, personnels de laboratoire, pour leur compréhension, leur aide et leur patience. MM. François VENEL, Eric BRÉVIER, Laurent CHABAGNE Jean FOURMANOIR, personnels du magasin de l atelier du lycée, pour leurs précieux conseils. A tous les personnels du lycée qui ont fait ce qu ils pouvaient pour nous aider dans notre travail. Nos camarades de la première S 2 pour leur soutien. A nos parents pour le travail de relecture et leur patience. Merci aussi à tous ceux qui nous ont aidés et que nous avons oublié de citer. Merci à tous ceux qui ont eu la patience de nous écouter. 37

38 Annexe 1 : Description des caractéristiques de la caméra thermique C.A 1886 Description Caractéristique C.A 1886 Type Microbolomètre UFPA Détecteur Plage Détecteur spectrale 8 ~14 μm Résolution 160 x 120 NETD 0,1 C à 30 C Performance d imagerie Objectif / mise au point 20 x 15 IFOV (résolution spatiale) 2,2 mrad Distance focale minimale 0,100 m Vidéo numérique intégrée 640 x 480 pixels, «full color» Image visuelle Illuminateur Produit des images visuelles nettes et de haute qualité dans les zones sombres. Distance focale minimale 0,100 m Image infrarouge, image réelle ou fonction «Mix vision» Affichage image avec réglage % incrustation image I.R. Présentation des images Sortie vidéo PAL / NTSC Écran LCD 3,5 pouces Affichage des images Pseudo-couleurs, multi-palettes Fonctions Gel d image Image animée ou figée Stockage fichiers Carte Mini SD amovible, jusqu à 2 Go. Mesure Gamme de température -20 C ~600 C (standard) Jusqu à 1500 C en option. Précision ±2 C ou ±2 % 4 points : 3 positionnables sur tout l écran et 1 de détection Points d analyse automatique température Max ou Min Suivi automatique du point le plus chaud ou le plus froid sur Suivi de la température l image entière. Si un seuil de température d alarme est prédéfini, la caméra Alarme de température émet un bip sonore en cas de dépassement. Fonctions d analyse Réglage automatique ou manuel de la luminosité et du Réglage contraste. Correction Émissivité, Distance, Température ambiante, Humidité relative Affichage mono-couleur d un intervalle de température Affichage des isothermes réglable par l utilisateur. Commentaires vocaux Par Bluetooth (option). Logiciels Logiciel d analyse Logiciel de création de rapports Pointeur laser Type Classe 2, < 1mW, Longueur d onde : 635 nm Système batterie Type Batterie lithium Système batterie rechargeable Autonomie 3 heures minimum Compatibilité EN : 2006 Conformité électromagnétique Sécurité EN Ed.2 Plage de température de -15 C à 50 C (-4 F à 122 F) fonctionnement Plage de température de -40 C à 70 C (-40 F à 158 F) Spécification stockage environnementale Humidité 10% à 95 % Tenue au choc 25 g Tenue vibration 2 g Protection IP 54 Caractéristiques physiques Poids 650 g (avec batterie) Dimension 211 x 80 x 195 mm 38

39 Annexe 2 : Courrier adressé à différentes enseignes. 39

40 Annexe 3 : Réponse mail de chez Nike. 40

1) Explications (Expert) :

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