Mettre au point un protocole expérimental - Maxicours

Mettre au point un protocole expérimental

Objectifs
  • Savoir ce qu'est un protocole expérimental et quand s'en servir.
  • Catégoriser et comprendre un écart.
  • Savoir mettre au point un protocole expérimental pour tester un produit.
Points clés
  • Une expérimentation permet de tester un objet. Elle se réalise en suivant un protocole expérimental.
  • Une expérimentation permet de mettre en évidence l'écart mesuré-attendu pour vérifier si une exigence du cahier des charges est satisfaite ou non.
  • Une expérimentation permet de mettre en évidence l'écart mesuré-simulé pour valider ou non un modèle.
  • Un protocole expérimental doit permettre de vérifier ou de mesurer, de manière ciblée, un point particulier d'un produit.
Pour bien comprendre
  • Savoir ce qu’est un cahier des charges
  • Connaitre les concepts de modèle et de simulation
1. Protocole expérimental et expérimentation
Une expérimentation est un processus qui permet de tester un objet ou une partie d'un objet.
Exemple
On peut tester la résistance à la chute d'une souris d'ordinateur.

Une expérimentation se réalise en suivant un protocole expérimental.

Un protocole expérimental est un mode opératoire (une suite d'étapes) à réaliser pour mener l'expérimentation.
Exemple
Pour évaluer la résistance de la souris, on pourra suivre le protocole expérimental suivant.
  1. Mesurer une hauteur de 1,5 m sur un mur et faire un trait sur le mur.
  2. Effectuer 5 fois les deux manipulations suivantes.
    • Placer la souris à la hauteur du trait puis la laisser tomber.
    • Noter l'état de la souris.
2. Écarts et démarche scientifique
a. Écart mesuré – attendu

Mettre au point et utiliser un protocole expérimental permet de vérifier qu’un produit fait bien ce qui est attendu de lui, d'après son cahier des charges.

Exemple
Tester si un drone qu'on vient de réaliser peut voler à 30 km/h comme cela est demandé dans son cahier des charges.

Un protocole donné ciblera, en général, une seule exigence du cahier des charges.
L'expérimentation proposera de réaliser une ou plusieurs manipulations pour vérifier si cette exigence est satisfaite ou non.

La différence entre ce que le produit fait réellement et ce qu'il est censé faire s'appelle l'écart entre le mesuré et l'attendu.

Si l'écart est négligeable, ou si le produit est meilleur que ce qui est attendu, l'exigence testée sera satisfaite. Dans le cas contraire, l'exigence ne sera pas satisfaite et il faudra :

  • rendre compte de la non-satisfaction de l'exigence si le produit est déjà considéré comme terminé et/ou commercialisé ;
  • modifier le produit si l'expérimentation est réalisée dans le cadre d'un projet.
Exemples
On nous demande de mener une expérimentation sur un bras robot déjà existant. L'objectif est de vérifier si, comme indiqué dans le cahier des charges, il peut soulever une masse de 15 kg.

Après plusieurs tests, on se rend compte que dans certaines positions il ne peut soulever qu'au maximum 13 kg.

L'écart de 2 kg entre le mesuré et l'attendu montre donc que le bras robot est non conforme à son cahier des charges.
Remarque
Lors de la conception d'un produit, on essaie de satisfaire toutes les exigences du cahier des charges. Pour vérifier entièrement une maquette lors d'un projet, il faudra donc mener des expérimentations pour vérifier toutes les exigences.
b. Écart mesuré – simulé

Un modèle permettant de réaliser des simulations a besoin d'être testé pour être validé.

Le test le plus courant est de le confronter à la réalité.

Pour cela :

  • on mettra au point un protocole expérimental, qu’on suivra dans des conditions de test choisies ;
  • on réalisera également une simulation, avec des paramètres de simulation analogues aux conditions de test.
Exemple
Lors de la conception d'un nouveau logiciel de modélisation et de simulation numérique, on peut comparer :
  • les résultats d'une expérimentation, en soufflerie, sur la résistance à l'air d'une aile d'avion ;
  • les résultats obtenus par simulation de l'aile d'avion avec le logiciel.

Une fois la simulation et l'expérimentation terminées, on compare leurs résultats. La différence entre les deux s'appelle l'écart entre le mesuré et le simulé.

Si l'écart est négligeable, le modèle est validé. Dans le cas contraire, il faudra modifier le modèle pour qu'il rende mieux compte de la réalité et soit utilisable.

Attention
Une différence peut aussi être due à un défaut au niveau :
  • du modèle ou du paramétrage de la simulation ;
  • de l’expérimentation : mauvais protocole expérimental, mauvaise exécution, instrument de mesure inadapté, etc.
Exemple
Si on a trouvé, pour toutes les vitesses de l'avion testées, des résultats très proches entre l’expérimentation en soufflerie et la simulation numérique, le modèle sera validé.
Remarque
Il faut en général réaliser une série de comparaisons, entre simulation et expérimentation, pour réellement valider le modèle.

Lors d'un projet, on réalise des simulations durant la conception du produit. Ces simulations seront comparées avec les expérimentations réalisées en fin de projet sur la maquette ou sur le prototype. Si le modèle utilisé est déjà validé, des écarts trop importants mettront en évidence des faiblesses dans la réalisation du produit.

Ce type de démarche, qui permet de valider, d’améliorer ou de rejeter un modèle, est issu de la démarche scientifique.

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