Pecha Kucha - Un toit sans toit...

Un cours pas comme un autre

La fin du quadrimestre approche à grand pas, et avec elle la clôture du cours de DFS. Qu'est-ce que je peux en tirer après ces 3 mois? Qu'est-ce que j'ai appris.

Pour moi, ce cours a plus aidé mon développement personnel qu'intellectuel. Les concepts n'ont pas été fondamentalement difficiles, et pourtant j'ai eu du mal par moments. Pourquoi?
Je pense que ce n'est pas exagéré de dire que j'étais loin de ma zone de confort, pour la plupart du temps. Cela commence tout bêtement avec un bâtiment (Flagey) que je ne connaissais pas, et avec des gens que je ne connaissait pas. Passant par une matière qui est tout à fait nouvelle pour moi, et ce en utilisant des approches très différentes des approches scientifiques qu'on m'a appris ces 5 dernières années.

Donc oui, j'étais loin de ma zone de confort, et par moments j'ai même pensé à arrêter et changer de cours. Mais c'est là qu'il faut persévérer. C'est là qu'on apprend véritablement de nouvelles choses et qu'on vit un dépassement de soi-même.

J'ai appris à raisonner un peu différemment, que tout n'est pas équations et formules. L'esthétique entre autres occupe une place prépondérante, que ce soit au niveau d'une maquette (qui, pour moi devrait juste être fonctionnelle...je pense que cela a frustré Anthony plus qu'une fois), d'une présentation, d'un schéma...

J'ai appris à faire face à plein de problèmes de nature très concrète: où est-ce qu'on trouve du bois, ou du plexiglass? Combien ça coûte? Qui puis-je contacter pour poser mes questions sur le textile? Comment est-ce qu'on peut coller cette maquette de façon plus efficace? Ces questions paraissent stupides, mais dans le monde très théorique du NO à la Plaine, je n'ai jamais du me poser une seule de ces questions. Donc cette confrontation à la réalité a aussi été nouvelle pour moi.

Si je peux donc résumer ce que j'ai appris à ce cours, c'est sans doute ce qu'on appelle "think outside the box". Innover, ne pas avoir peur, aller à la rencontre de gens inconnus, échanger des idées, être actif au lieu de passif. En ce sens, je pense que ce cours m'a donné une belle leçon de vie, qui me sera certainement utile au futur.

Test au FabLab

Après toutes les recherches et discussions qu'on a menées ces derniers temps, on est prêts pour passer enfin à des tests de notre pavillon avec un "toit sans toit"! Le matin, on découpe des cadres en bois avec la découpeuse laser. Ces cadres viennent s'ancrer dans une boite en bois qui permet d'incliner les cadres comme on veut. Ceci est très important, parce qu'il faut que l'eau est excès puisse être évacuée. Et quoi de plus simple et de plus naturel que d'utiliser une pente pour cela?

Sur les cadres, on tisse des fils de laine. Comme on a déjà fait des tests avec un tissage (coton) uniaxial, on a envie cette fois-ci de tester un tissage complètement aléatoire pour voir ce que ça donne.

On réalise 3 cadres de cette manière, puis on vient les accrocher à notre boite. On est content de voir qu'il y a encore beaucoup de lumière qui passe à travers ces 3 couches, c'est ça qu'on espérait avoir pour le pavillon.

"Toiture" du pavillon, ici avec éclairage artificiel (la lampe de gsm).

Le pavillon vu d'en dessous (vers le haut) sans éclairage artificiel.

Maintenant vient la partie "fun" du test: on joue aux dieux de la météo et on laisse tomber la pluie sur le pavillon.

Alors, quelles sont les premières constatations/conclusions après ce test au FabLab?

• On voit que la pluie vient se rassembler et coule là où on vient appuyer sur le tissu. Ceci est la même conclusion que Emile et Matthieu nous on présenté lors d'un des briefings à Cureghem quand ils ont encore travaillé sur leur pavillon de pluie. Il faut donc soit une singularité pour bien évacuer la pluie, ou alors
• Il faut une pente pour évacuer l'eau. On a obtenu cette pente en accrochant nos cadres sur la boite. On voit que sur le premier cadre, même si on applique l'eau tout en haut du tissu, elle va glisser vers le bas. Sur le deuxième cadre, presque toutes les gouttes qui traversent le tissu s'écoulent le long du bord, et sur le troisième pareil. 
• En bas du pavillon, presque toute l'eau de pluie vient donc couler le long du bord, et le milieu reste sec.

Choses à améliorer/tester les prochaines fois:

1. essayer différents matériaux pour voir lequel est le plus performant
2. essayer différents tissages (uni-directionnel vs aléatoire)
3. essayer différentes pentes pour mieux guider l'eau
4. essayer avec des cadres plus grands, avec moins de matériaux utilisés (légèreté du pavillon)

Comment ça perle?

Après une longue discussion ce matin avec Victor sur le pavillon, on s'est rendu compte qu'il est nécessaire de connaître un certain angle, qu'on va appeler angle critique.

C'est quoi cet angle critique?
Il est impossible que nos fils absorbent toute l'eau lorsqu'il pleut de façon continue pendant des heures (ce qui peut très bien arriver en Belgique...). L'eau en excès devrait alors être évacuée.

Comment?
Le plus simple est de faire perler l'eau sur la surface et de la guider aux bords où elle tombera. C'est ce principe qui est utilisé sur presque tous les toits modernes, qui sont en pente. Il est alors important de connaître l'angle à partir duquel l'eau va commencer à perler sur la surface.

Un objet sur lequel l'eau perle, on le connaît tous, et on l'a utilisé récemment à Cureghem: la tente. On décide donc d'aller voir des spécialistes de tentes pour leur demander en quel matériaux ils sont typiquement fabriqués, et avoir éventuellement d'autres renseignements utiles.

Discussion chez Legrand : Les tentes sont en nylon. Ce n’est pas forcément toujours la même composition, on trouve les détails sur le site internet Randonner Léger. Ils sont spécialisés sur les matériaux très légers et performants. Pour l’inclinaison de la tente il ne sait pas trop. Mais il pense que ça va toujours perler. Il nous renvoie chez Billy the Kite pour avoir plus d’informations sur le nylon.

Discussion avec Billy the Kite : Il faut regarder par exemple les toiles utilisées pour faire du kite ou parapente. Elles sont résistantes et très légères. Elles sont en nylon. Au début, elles seront très étanches et ne laissent pas du tout passer l’eau. L’eau va donc perler sur le matériau. Ensuite, avec le temps et par usure, elles commencent un peu à s’affaiblir et l’eau peut passer à travers. Ils vendent cette toile de nylon en grand format (1mx1,5m) ou alors en petites bandes, mais qui sont autocollantes. D’un côté il y a la toile et de l’autre donc un revêtement de colle. Pour finir, il nous donne un petit bout de toile de nylon normale pour faire nos essais.

Recherche sur les tentes pour comprendre comment guider l’eau : les tentes sont le plus souvent fabriquées en coton, nylon, polyester, feutre. Les tentes de coton sont souvent traitées avec du paraffine (cire) pour les rendre encore plus étanches. Le coton absorbe l’eau et peut donc devenir très lourd quand il pleut. Ce gonflement du coton bloque d’éventuelles interstices qui se trouvent entre les fibres. Le coton humide et donc plus étanche que le coton sec. Le nylon et le polyester n’ont pas ce problème, vu qu’ils absorbent très peu l’eau. Par contre, ils peuvent se détériorer au fil du temps par les rayons UV.

La résistance à la pluie est mesurée par et exprimée par le hydrostatic head HH (en mm). Ceci indique la pression d’eau nécessaire pour pénétrer le tissu. De la pluie intense ou fouettée par le vent a une pression plus élevée qu’une légère averse. On fait le classement suivant :

• HH < 1000mm : résistant à une averse
• 1500 < HH < 1500mm : convient à du camping d’été et peut supporter des tempêtes courtes et violentes
• HH = 2000mm : convient pour une utilisation tout au long de l’année
• HH = 3000mm : tente d’expédition avec des conditions extrêmes

Fabrics tested in the Leeds University (à les contacter?) Rain Room show no signs of leakage after 4 hours of simulated rain five times heavier than heavy British rain!

Procédés pour rendre un textile waterproof : les méthodes les plus utilisées sont l’imprégnation avec de la silicone, ou alors un coating de polyuréthane.

Let it rain!

Après nos expériences sur le coton rose, on a pris rdv avec l'école du textile qui fait partie de La Cambre, afin de mieux comprendre les propriétés des fibres et du textile. En attendant ce rdv, on a continué nos recherches sur des matériaux ultra absorbants sur internet. On a fait une liste qui reprend les matériaux qui correspondent plus ou moins bien à nos critères:

Sur un site spécialisé en laine de mohair, on trouve notamment les taux d'absorption de différents types de laine en fonction de l'humidité relative extérieure.

On constate que tous ces types de laine absorbent relativement bien l'eau. Les chiffres sont exprimés en pourcentage de gain de masse comparé à leur état sec.

Après ces recherches théoriques, on a fait des tests sur quelques matériaux. 

On a plusieurs fils à notre disposition :
- Fil de soie : 40% soie, 30% laine, 30% viscose
- Fil de lima : 84% alpaca, 8% laine, 8% nylon
- Fil de lin : 100% lin
- Fil de laine : 45% laine, 20% mohair, 25% polyamide, 10% soie

Ces fils sont vendus dans des "formats" bien spécifiques, où le fil est souvent constitué de plusieurs fibres. Afin de pouvoir comprendre pourquoi certains fils absorbent mieux l'eau que d'autres il est intéressant d'étudier la structure des fils. On réalise pour cela une découpe du fil et on essaie d'identifier les différentes fibres.
Le résultat est présenté sous forme de photo (avec dessin) ci-dessous:

Pour voir si ces matériaux arrivent bien à se gorger d'eau on fait une expérience complètement similaire au test qu'on a déjà réalisé sur le coton rose. On ne va donc pas décrire la démarche en détail ici. On note la masse de chaque type de laine avant et après l'expérience.

On voit que le lima peut absorber de l'eau jusqu'à atteindre plus que 5 fois sa masse initiale. Si on devait classer les matériaux selon leur pouvoir absorbant en termes de gain de masse, on aurait:

Lima > Laine > Soie > Lin

Sous le ciel

Ce pavillon résultera des saisons, du climat, imperméable à la pluie, perméable au soleil et au vent. Un toit sans toit, au soleil à l'ombre, sous la pluie. Les éléments sans fin, les murs sans limites le sol sans fond le toit avec nous. L'experience de vivre chaque élément, sans contrainte. Les rayons de soleil traverseront, le vent entrera, la pluie s'engorgera, un lieu ou le temps passée ne dépendra pas du temps mais de nos envies. Nous proposons un pavillon qui se veut non pas être un lieu mais une expérience. Un espace à vivre, à découvrir, à comprendre et à partager.

Des fils et de la pluie

Aujourd'hui on a mis à l'épreuve nos connaissances théoriques de la matière en réalisant une petite expérience toute simple. Les questions qu'on se posait étaient:

• Quel matériau est adapté pour rendre notre pavillon étanche en cas de pluie?
• Comment disposer ce matériau dans l'espace pour qu'il remplisse au mieux cette tâche?

Pour répondre à la première question, on a ramené différentes sortes de laine (merci mamie!). Comme on ne connaissait la composition exacte que pour une pelote, on a utilisé cette laine-ci: 80% acrylique, 20% polyamide nylon.

On réalise d'abord des petits cadres à l’aide de l’imprimante 3D. Ensuite, on tisse le fil dessus. Remarquons que ce fil n’est pas une fibre simple, mais il est composé de 3 fibres, tissées en un seul fil.

On tisse une fois dans le sens horizontal et une fois dans le sens vertical. C’est un tissage simple. Puis sur d’autres cadres on tisse deux fois dans le sens horizontal et deux fois dans le sens vertical. On appellera ceci double tissage par la suite.

On aimerait savoir si cette laine laissera passer la pluie ou non. Si elle laisse passer la pluie, on voudrait savoir combien d’eau passe à travers. Ceci devrait nous donner une information sur le volume cumulatif :

$V=AS\sqrt{t}=AI$

Pour simuler la pluie, on applique ensuite de l’eau dessus à l’aide d’un vaporisateur pour plantes. On recueille l’eau qui passe à travers avec un petit bol en plastique. On observe que le bol se remplit vite avec l’eau si on prend un seul cadre avec du tissage simple. On note aussi les masses des cadres avec la laine avant et après de les mouiller.
$m_{sec}=7 g$
$m_{mouillé}=25g +- 3g$

On répète l’expérience avec deux cadres superposés l’un sur l’autre. On observe de nouveau la formation d’une flaque d’eau en-dessous du dispositif. On note les masses de nos tissus.
$m_{mouillé1}=20g +- 2g$
$m_{mouillé2}=16g +- 2g$

Est-ce que l’orientation des cadres l’un par-rapport à l’autre a une influence sur le résultat ? Qu’est-ce qui se passe si on met un cadre shifté de 45° par-rapport à l’autre ? On observe toujours la flaque d’eau, par contre en mesurant les masses, on constate qu’il y a une différence plus importante entre le cadre au-dessus en en-dessous.
$m_{mouillé1}=23g +- 2g$
$m_{mouillé2}=12g +- 2g$

Répétons l’expérience avec 3 couches, disposées de nouveau décalées de 45°. La structure est très étanche jusqu’à un certain point. En continuant à verser de l’eau dessus, elle cède néanmoins et laisser passer l’eau. On observe de nouveau une flaque.
$m_{mouillé1}=23g +- 2g$
$m_{mouillé2}=15g +- 2g$
$m_{mouillé3}=13g +- 2g$

La tendance est claire: plus on utilise de couches, plus la structure est étanche. Qu'en est-il de notre cadre avec le tissage double?

Il met lui aussi du temps avant de commencer à laisser passer l’eau. On mesure sa masse.
$m_{sec}=9g +- 1g$
$m_{mouillé}=26g
 +- 2g$

La laine stocke donc presque jusqu'à 3 fois sa propre masse en eau! Par contre elle ne retient pas très bien cette eau, vu les grandes flaques qu'on observe en-dessous de notre structure.

Choix des matériaux

Après une recherche théorique des propriétés d'écoulement dans les matériaux, on commence maintenant à chercher des matériaux qui répondent à nos critères. Pour rappel, on voudrait travailler avec des matériaux qui absorbent une grande quantité d'eau, mais où l'eau passe lentement à travers (pour ne pas tomber sur les visiteurs qui viennent voir le pavillon un jour de pluie). Ceci correspond donc à des petites valeurs pour le coefficient de conductivité hydraulique et la perméabilité.


Polyester: fibres les plus utilisées sont le Tergal et le Darcon. Souvent en mélange avec d'autres fibres, notamment le coton et la laine.

Cotton : fibre végétale. Cette fibre est généralement transformée en fil qui est tissé pour fabriquer des tissus. Les fibres de coton ont un bon pouvoir absorbant (environ 8,5 % de leur poids en eau). C'est pour cette propriété que le coton est majoritairement employé dans le linge de bain (serviettes, gants de toilette, peignoirs). Il faut cependant rappeler que le coton brut est hydrophobe, et que pour le rendre hydrophile, donc absorbant, il faut le "décirer" à l'aide de solvants chimiques. Le cotton a une bonne perméabilité à l’air : il permet à la respiration cutanée de s’effectuer. Or, il est sensible à l'humidité : il développe rapidement des moisissures s'il est mal stocké.

Laine : matériau généralement d'origine animale qui est constitué de fibres kératiniques d'ovins et utilisé dans la production textile, notamment pour ses capacités d'isolant thermique. La laine purge l'humidité de l'atmosphère, si celle-ci est trop humide, et rejette l'humidité dans l'air, s'il est trop sec. (Sources : Woolmark, Wools of New Zealand, British wool, SNPE société Nationale des Poudres et explosifs).

Roches et cailloux : comme rappel, on en veut avec un K bas. Donc clay, shale, sel, siltstone et anhydrite sont ok.

Tergal : Fibre ou fil synthétique de la famille des polyesters, obtenu par condensation de l'acide téréphtalique et du glycol; étoffe d'aspect soyeux, résistante et infroissable fabriquée en France à partir de cette fibre.

Upsalite : As of 2014, a novel material called upsalite is the world's most water-absorbent material. Made of nanostructured anhydrous magnesium carbonate, this material is capable of absorbing several hundred times its weight in water, even in low-humidity conditions. With a surface area of 800 m² per gram, Upsalite is reported to have the highest surface area measured for an alkali earth metal carbonate ever created.

Polymeric superabsorbent materials: Polymeric superabsorbent materials are usually shaped as nets or meshes at the molecular level. These net-shaped structures are often elastic, enabling them to expand and absorb large quantities of liquid relative to their own masses. These materials are also hydrophilic, or water loving, enabling them to attract and retain water in these meshes. Polymeric superabsorbent materials are capable of absorbing hundreds of times their own weight in water, allowing them to become 99.9 percent liquid and still retain their form. Their absorbency depends on the salinity of the solution in which they are placed. The more saline contained in the solution, the lower the absorbency becomes. These materials are most commonly used in disposable personal hygiene products, such as adult protective underwear, sanitary napkins and baby diapers.

•  cfr nos billes hydrogel du pampers et les billes de chez CASA

Non polymeric superabsorbent materials: Superabsorbent materials that are not polymeric, such as cellulose-based fabrics, attract and retain water using a different mechanism. They are made up of hydrophilic fibers, but they do not store water in the actual fibers themselves. Instead, these fibers attract the water into the material, where it is stored in the empty pores between adjacent fibers.

On a ressemblé dorénavant assez d'informations pour passer à l'étape suivante: l'expérience!

Permeability and water flow in media

Attention! Ceci est une compilation d'articles que je n'ai pas rédigés moi-même. Je n'ai pas de copyright dessus. Je les ai seulement rassemblés pour créer un document pratique avec les concepts qui pourraient nous être utiles pour la suite.

Darcy’s law: equation that describes the flow of a fluid through a porous medium. La vitesse de l’eau entre deux points est proportionnelle au gradient de la pression entre ces deux points.

$Q=\frac{KA ∆P}{L}$

où Q= débit volumique ($\frac{m^3}{s}$)
 K= conductivité hydraulique
 A= surface de la section étudiée
 L= longueur traversée par l’eau (dans notre cas, l’épaisseur de la ficelle)
∆P= différence de pression

Hydraulic conductivity: represented as K, is a property of a medium that describes the ease with which a fluid (usually water) can move through pore spaces or fractures. It depends on
• the properties of the material: size and disposal of grains and pores
• the properties of the fluid: viscosity and density (=masse volumique)
• the degree of saturation
By definition, hydraulic conductivity is the ratio of velocity to hydraulic gradient indicating permeability of porous media.

$K=\frac{κρg}{μ}$

où K= conductivité hydraulique (m/s)
 κ= la perméabilité intrinsèque du milieu poreux ($m^2$)
 ρ = la masse volumique du fluide (kg/$m^3$)
 g= gravitation (m/$s^2$)
 μ= viscosité (Pa s= kg/m/s)

La porosité d'un substrat poreux et sa conductivité hydraulique K sont notamment déterminés par la taille des grains et la taille des interstices entre ces grains, ainsi que par la communication entre ces interstices. Ici, un même fluide incompressible cheminera plus facilement et plus rapidement dans la situation 1 que dans la situation 2.

Liquid transport in porous media: When a dry porous medium, such as a brick or a wick, is brought into contact with a liquid, it will start absorbing the liquid at a rate which decreases over time. Liquid penetration will reach a limit dependant on parameters of temperature humidity and permeability. For a bar of material with cross-sectional area A that is wetted on one end, the cumulative volume V of absorbed liquid after a time t is

$V=AS\sqrt{t}=AI$

where S is the sorptivity of the medium, in units of $m s^{−\frac{1}{2}}$ or $mm min^{−\frac{1}{2}}$
and $I=S\sqrt{t}$ is the cumulative infiltration (see “sorptivity” below)

Permeability: measure of the ability of a porous material (often, a rock or an unconsolidated material) to allow fluids to pass through it. The permeability of a medium is related to the porosity, but also to the shapes of the pores in the medium and their level of connectedness. High permeability will allow fluids to move rapidly through the medium. Knowing the height of the soil sample column L, the sample cross section A, and the constant pressure difference Δh, the volume of passing water Q, and the time interval ΔT, one can calculate the permeability of the sample as

$κ=\frac{QL}{A∆h∆t}=\frac{Kμ}{ρg}$

Porosity: The wetted length of the bar, that is the distance between the wetted end of the bar and the so-called wet front, is dependent on the fraction f of the volume occupied by voids. This number f is the porosity of the medium. It is calculated as follows

$f=\frac{V_{voids}}{V_{total}}$

The wetted length is then $x=\frac{I}{f}=\frac{S\sqrt{t}}{f}$

Sorptivity: measure of the capacity of the medium to absorb or desorb liquid by capillarity. It expresses the tendency of a material to absorb and transmit water and other liquids by capillarity. The sorptivity is widely used in characterizing soils and porous construction materials such as brick, stone and concrete. Sorptivity can be determined from horizontal infiltration where water flow is mostly controlled by capillary absorption

$I=\frac{S}{\sqrt{t}}$

I= cumulative infiltration (i.e distance) at time t, in $m s^{−1/2}$

For vertical infiltration, the solution is adapted using a parameter $A_1$. This results in the following equation, which is valid for short times:

$I=S\sqrt{t}+A_1 t$

Wicked fabric: modern technical fabrics which draw moisture away from the body. They are made of high-tech polyester, which, unlike cotton, absorbs very little water. Cotton will absorb 7% of its weight in water, polyester only 0.4%.
The two properties normally used to predict wicking performance in a fabric are capillary pressure and permeability. Capillary pressure is the main force responsible for the movement of moisture along or through a fabric, where the force of the surface tension between the liquid and the walls of a narrow gap or pore overcome the forces between the molecules of the liquid, moving it into empty gaps until the forces even out. Permeability is the measure of a fabric’s ability to transport moisture through itself, and is determined by a combination of sizes of spaces within it and the connections between the spaces.
Other properties that certainly do effect the wicking properties of a fabric include yarn twist (how threads in the fabric turn around each other), contact angle (between the fibre and the liquid), knit (tricoté) or weave (tissé) (the larger scale construction of the fabric), yarn roughness and a whole lot more.

Conclusion:

•  We need a material which allows capillary action 
•  Suited for this are porous materials, with many small pores, like sponges or wicking fabric 
•  We want our material to hold a large amount of water 
•  According to Darcy’s law, at given Q, we want to maximise the area 
• We want a large cumulative volume V of absorbed liquid 
• Thus, we need a material with large area and sorptivity 
• This means that we need a large cumulative infiltration I 
• We need low permeability, thus a large area and a low hydraulic conductivity coefficient

 Large: V, S, A, I 
 Small: K, κ

Pour prochain blog, on va commencer à chercher des matériaux qui répondent à ces critères.

Après le workshop...et maintenant?

Après quelques jours de pause, on était de nouveau au taquet pour continuer sur le pavillon. En effet, Anthony a trouvé de l'inspiration un jour de pluie, alors qu'il était dehors. Pour s'abriter, il s'est mis sous un arbre. Même si une feuille toute seule ne protège guère contre la pluie, l'ensemble des feuilles fait de sorte qu'on est bien à l'abri contre la pluie. On s'est alors dit que ceci est un phénomène intéressant et tout simple à comprendre et à imiter.
On pourrait prendre des plaques ou des cordes absorbantes. Tout comme chez l'arbre, une corde seule ne fait rien contre la pluis, mais en les multipliant et en les superposant les unes sur les autres pour obtenir une structure étanche, légère et respirante.
On peut également jouer avec les inclinaisons des plaques ou cordes pour rendre un côté du pavillon plus étanche, et pour laisser passer la lumière d'autres côtés. Une petite recherche sur les propriétés absorbantes et le transport des fluides au sein d'un matériau s'impose alors. On va présenter le résultat de ces recherches dans un prochain blog. Stay tuned!

Workshop, jour 6

Dernier jour!!
Il reste encore beaucoup à faire, on se rend donc sur le site assez tôt. Avant, on fait cependant un tour chez les fleuristes pour acheter des billes hydrogel plus grosses. Or, on n'a pas de chance, aucun fleuriste n'en vend. On en trouve finalement chez Casa. Ils les vendent dans l'état déjà gonflé, ce qui nous dérange pas, comme ça on voit quelle taille maximale les billes auront.

On pourrait aussi faire les billes nous mêmes, en suivant le processus de sphérification. On aurait d'ailleurs préféré faire ça, puisque ça nous permettrait de mieux comprendre les propriétés de billes. En plus, on pourrait jouer avec ces propriétés (taille, contenu en eau/gel --> peau plus ou moins épaisse et résistante...) Or, par manque de temps et d'ingrédients, on s'est contenté des billes Casa. Dans le bas du pot, il y a un petit fond d'eau, et on se rend compte que les billes qui se trouvent dans l'eau sont tout à fait transparentes. Ceci nous a bien amusé, et on s'est dit qu'on pourrait peut-être jouer avec ça dans notre pavillon. On a fait des tests de séchage comme hier, pour savoir si les billes sèches diminuent de volume. Le rayon moyen d'une bille gonflé vaut R=9mm. On n'a pas pu déterminer celui d'une bille séchée, vu qu'il s'avère d'être délicat de sécher une billes. En les séchant avec un sèche-cheveux, elles s'envolent. On a essayé de les sécher devant le canon à chaleur, mais il s'est éteint vu qu'il était vide. Donc à ce stade on ne sait pas dire avec certitude si les billes deviennent plus petites.

Entretemps, on a traité des plaques de verre avec la sablonneuse pour les rendre opaques. On voulait essayer d'appliquer la sablonneuse dans différents sens pour avoir des rugosités qui sont orientés différemment. Mais ceci n'est pas possible, la sablonneuse met du sable un peu partout et on ne peut pas guider le sens des rugosités.
On a obtenu des plaques de verre opaques. En les humidifiant, elles sont devenues un peu plus translucides, mais pas assez pour avoir un effet étonnant. On n'a pas eu le temps d'aller creuser plus loin, vu qu'il fallait préparer les pecha kucha pour le vernissage.

Il reste donc encore du travail à faire!

Workshop, jour 5

Ce matin, on a réalisé l'expérience avec la lamelle de bois enroulée à l'état sec. En versant de l'eau dessus, on observe qu'elle se déplie comme il faut. En la séchant, elle se recourbe. Great succes!

En humidifiant la lamelle enroulée, elle commence à se déplier. Au bout de quelques minutes, elles s'est presque entièrement déroulée.

(désolée pour la qualité pourrie de cette vidéo. Si quelqu'un est intéressé de la voir en meilleure qualité, n'hésitez pas à nous contacter!)

Après cette expérience, une discussion avec les 2 titulaires nous a poussés à envisager d'autres phénomènes en relation avec l'eau et la pluie. Ainsi, l'utilisation du verre sablé serait intéressante, par exemple. Il s'agit d'un verre avec une surface très rugueuse. Quand il est sec, le verre est donc opaque. Or, une fois qu'il est humide, il devient translucide. On pourrait donc jouer avec cette propriété pour un pavillon qui réagit à la pluie. Une autre piste est de travailler avec des matériaux qui gonflent très fort pour dès lors étanchéifier le pavillon (en couvrant par exemple des interstices). Un matériau qui gonfle extrêmement fort au contact avec l'eau sont les billes d'hydrogel. On les trouve notamment...dans les pampers! Cet après-midi on part donc à la recherche de pampers pour nous familiariser avec ce matériau étrange. On le découpe et on récupère les billes, qui sont de la taille d'un grain de sel.

On les rajoute ensuite à un peu d'eau. Les billes commencent immédiatement à gonfler et à absorber l'eau. Après 1-2 minutes à peine, elles ont absorbé toute l'eau du bol. On essaie de déterminer le point de saturation de ces billes en rajoutant progressivement un peu d'eau. La saturation est atteinte lorsque l'eau n'est plus absorbée et reste sous forme de flaques entre les billes. On trouve que pour un échantillon de billes de +-1 gr, on peut rajouter 80gr d'eau!

Ceci est sans intérêt si ce n'est pas un processus réversible. Il faut donc que nos billes soient capables de diminuer de volume lorsque l'eau s'évapore. Avec Michele on place donc un échantillon de billes devant le canon à chaleur (go big or go home). Malheureusement, les billes étaient un peu trop proches et ont cramé. On a donc répété l'expérience dans un bol qu'on place sur la taque. On laisse mijoter notre soupe de billes quelques minutes, tout en remuant pour éviter qu'elles ne collent trop. On constate que nos billes ont en effet diminué de volume. L'image suivante donne une idée qualitative de ce résultat:

En haut: les billes gonflées avant évaporation. En bas: après évaporation. Le volume a diminué sensiblement.

On s'est ensuite demandé comment on pourrait incorporer ces billes dans la pavillon. Est-ce qu'on les enfilerait? On les incorporerait dans une membrane? On les mettrait dans une boîte transparent et semi-perméable?

On a commencé avec l'idée de les ajouter à une membrane. Pour cela, on a démonté un ancien haut-parleur qu'on a trouvé sur place. On a récupéré la fine membrane de carbone, qu'on a saupoudrée de billes d'hydrogel. L'idée était que cette membrane allait s'étirer lorsque les billes commencent à gonfler. Or, le résultat n'est pas du tout à quoi on s'attendait. Quand on a saupoudré la membrane de billes, elles ne sont pas rentrées dans les interstices de la membrane. C'était plutôt comme si on avait mis du sel sur une serviette. Le sel ne rentre évidemment pas dans la serviette mais reste à sa surface. On a quand même été jusqu'au bout de l'expérience, et on a mouillé les billes. Elles ont gonflé comme d'habitude, mais maintenant on avait donc (comme analogie) du sel gonflé sur notre serviette. Pas terrible...

On a eu alors l'idée de mettre les billes entre 2 fines membranes. Pour cela, on a découpé un morceau de bas en nylon qu'on a étirés sur un petit cadre en bois. Ensuite, on l'a rempli de billes. De nouveau, une fois que les billes sont mouillées, elles gonflent. Mais comme elles n'étaient pas attachées de manière fixe aux bas de nylon, cela n'étire évidemment pas du tout le nylon. Il faudrait pour cela attacher les billes de façon fixe au nylon, comme ça elles l'entraînent avec elles lors de chaque gonflement/dégonflement. Avec les petites billes de pampers ceci est très très délicat. On a donc eu l'idée de se procurer de billes plus grandes. Or, comme c'était l'armistice tous les magasins étaient fermés. Et de toute façon c'était l'heure de manger. On avait donc encore du boulot pour le dernier jour!

Workshop, jour 4

On a continué à travailler sur les systèmes d'ouverture aujourd'hui. Pendant qu'Anthony est parti au laboratoire à la Plaine avec Axel pour réaliser une découpe au laser pour un système pivotant, je suis restée à l'usine et j'ai discuté avec Michele sur des matériaux qui pourraient s'enrouler lorsqu'il fait humide, ou lorsqu'il pleut. Il faut pour cela que les cellules au sein du matériau gonflent, et qu'elles ne prennent pas seulement de la masse. Le feutre est donc à exclure: au contact avec l'eau il se gorge et devient très lourd, mais ne va pas augmenter de volume. Des matériaux intéressants seraient le cuir, des membranes, du bois (plaqué), des cheveux,...A ce matériau, il faut coller un autre qui ne va pas réagir aux différences d'humidité. Lorsque la lamelle se courbe alors, ce deuxième matériau va imposer une contrainte et va ramener la lamelle à son état initial lorsqu'elle sèche.

On réalise donc deux lamelles de bois plaqué identiques, sur lesquelles on colle respectivement des bandes larges et fines d'aluminium (transversalement aux fibres) pour voir si la largeur des bandes joue un rôle (la réponse: non, en tout cas ce n'est pas observé). On va ensuite dans la cour et on laisse couler de l'eau sur les lamelles initialement plates (ce jour-là il n'a pas plu non plus, comme quoi...).

On constate que les lamelles se courbent très fort lorsqu'elles sont trempées. Est-ce que ce phénomène est réversible? C'est-à-dire, est-ce que nos lamelles redeviennent plates lorsqu'elles sèchent? On les sèche au séche-cheveux, et on constate que c'est en effet le cas (dernière photo ci-dessus).

Le seul problème est que les bandes adhésives d'alu adhésives se sont détachées. On a donc répété l'essai en prenant cette fois-ci de l'aluminium normal qu'on colle sur le bois avec de la colle extra forte. On découpe aussi les lamelles dans l'autre sens cette fois-ci. Les fibres sont maintenant perpendiculaires à l'axe de la lamelle. Ainsi, lorsque le bois devient humide, il va s'enrouler, au lieu d'avoir juste les bords qui se recourbent.

Cette expérience fonctionne plutôt pas mal: au contact avec l'eau, la lamelle réagit immédiatement et commence à s'enrouler. On a de nouveau testé si le phénomène est réversible, c'est-à-dire que la lamelle devient plate en la séchant. C'est en effet le cas.

On a cependant un seul problème: la lamelle est censée être enroulée (occuper moins de place, donc laisser le pavillon "ouvert") quand il fait beau, et dépliée quand il pleut. Pour le moment chez nous c'est l'inverse. Comment faire?

C'est assez simple: on humidifie d'abord le bois pour le rendre souple. Ensuite, on peut le plier dans la forme souhaitée. Chez nous, ce sera donc une forme enroulée. Ensuite, on sèche le bois en veillant à ce qu'il garde cette structure. Pour cela, on a fixé des élastiques autour de notre bois enroulé. Quand il est finalement sec, on colle délicatement l'aluminium dessus. Cependant, comme on veut l'effet inverse que tantôt, on ne colle pas l'alu à l'intérieur du bois, mais à l'extérieur. On a juste encore le temps de faire ceci avant de manger les sushi. L'expérience doit attendre jusqu'à demain!

Workshop, jour 3

Ce jour-ci on voulait faire plus de recherches théoriques avant de nous lancer dans de nouvelles expériences. On a donc commencé à réfléchir sur d'autres systèmes d'ouverture que l'éponge pivotante, qui reste quand même assez artificiel comme phénomène. Nous avons trouvé de l'inspiration notamment dans le royaume végétal. La plupart des fleurs et des plantes réagissent au soleil (photonastie) et à l'humidité (hydronastie) pour ouvrir leurs pétales. Et si on faisait pareil? Evidemment, notre pavillon n'est pas fait en plantes et ne sera pas organique, mais l'idée d'avoir un mouvement d'ouverture pareil nous plait. On a trouvé deux autres systèmes d'ouvertures, ce qui nous fait donc au total 3 systèmes:

• système pivotant (cfr éponge)
• fleur qui s'ouvre
• structure qui se déroule (cfr fougère)

Le système pivotant, on l'a déjà exploré la veille. On voulait juste encore éventuellement l'améliorer (la structure de balsa n'était pas très élégante...). Mais on s'est surtout concentré sur les deux nouveaux systèmes d'ouverture.

Pour la fleur qui s'ouvre, on a découpé une lamelle en feutre (on aurait pu prendre du papier aussi, le plus important c'est d'avoir un matériau qui absorbe l'eau). Cette lamelle est attaché à un petit bout (base) à l'aide d'une ficelle. De l'autre côté de ce bout se trouve un contrepoids. Comme pour l'éponge, la masse du contrepoids à l'état sec est plus grande que celle de la feuille. Or, à l'état humide, c'est le contraire. La feuille lourde va donc retomber et entraîner le contrepoids avec elle. Si elle sèche, le contrepoids devient de nouveau plus lourd et tire la feuille dans une position verticale: le pavillon s'ouvre et laisse passer le soleil.

Fleur qui s'ouvre: La pétale est en feutre, et on utilise une gomme comme contrepoids. Les deux sont reliés par une ficelle. On simule ici la situation dans laquelle la pétale pèse plus lourd que la gomme (droite).

On relève quelques difficultés et des points auquels il faut faire attention pour un tel système:

• friction entre ficelle et base doit être faible, sinon elle s'accroche et la pétale ne s'ouvre/ferme pas bien
• il faut renforcer les bords de la pétale pour empêcher qu'elle ne se replie sur elle-même lorsque le contrepoids devient trop lourd. Ici, on a utilisé des cure-dents qu'on colle sur le feutre (visibles sur les photos ci-dessus)
• comment fixer ces renforts à la feuille et à la base? Coller, coudre?

Pour la structure qui se déroule, on a fait encore des recherches pour bien comprendre comment ça marche chez les fougères.

Le développement de la fronde s'effectue par une croissance différentielle des cellules de la face inférieure (à l'extérieur) et supérieure (à l'intérieur) : les cellules externes ont une croissance plus rapide que les autres, ce qui provoque le déroulement de la feuille. Cette inégalité de croissance est désignée en botanique sous le terme de courbure épinastique. Notre expérience se baserait sur un phénomène de hygronastie (sensible à une variation d’humidité), dont l’effet est renforcée grâce au caractère capillaire prononcée du matériau.  

Workshop, jour 2

Ce jour-ci, on voulait bien avancer sur deux plans: d'un côté les expériences physiques, et de l'autre le pavillon lui-même. Comme on nous a dit de préparer une maquette ainsi qu'un prototype à l'échelle 1-1 pour samedi, on ne voulait pas traîner à réfléchir sur le pavillon. On s'est vite rendu compte que notre idée initiale d'avoir un pavillon complètement autorégulateur était un peu trop ambitieuse. On s'est donc fixé le but plus modeste de juste contrôler et travailler avec l'humidité. A l'instar du Hygroscope d'Achim Mendes on voulait mettre en place des lamelles qui s'ouvrent et se referment selon l'humidité extérieure. Pour les assembler, on pensait à des modules hexagonales, qui sont faciles à mettre ensemble. On nous a dit cependant de se concentrer dans un premier temps juste sur le phénomène physique, et pas encore développer des structures pour le pavillon. C'est ce qu'on a fait l'après-midi. On s'est procurés de différents matériaux:

• feutre 2mm
• papier de liège 0,5mm
• balsa 1mm
• papier japonais shiramine
• papier japonais awagami hosho
• papier carton 
• papier protecteur en plastique

On a découpé des petits carrés 4cm x 4cm de chaque matériau, puis on les a repliés sur eux-même selon la diagonale. On les a ensuite posés dans une cuvette d'eau. Le but était évidemment d'observer les différents temps qu'ils mettent pour se déplier. En effet, ce temps dépend des matériaux. Comme les feuilles se déplient par capillarité, celles qui absorbent mieux l'eau vont se déplier plus vite. On a pu exlcure la majorité des papiers, qui ont soit coulé, soit ne se dépliaient pas, ou alors ne se laissaient pas plier (comme le balsa et le papier liège). On a uniquement retenu le papier carton et le awagami hosho.

On a répété l'expérience, mais cette fois-ci on a rendu imperméable une face en appliquant une couche de laque. On voulait voir si ceci changerait quelque chose aux observations. La réponse (un peu décevante) est non. 

Après avoir testé un peu le caractère capillaire des matériaux, on se demandait comment utiliser ceci pour faire des lamelles hygroscopiques. On a commencé par essayer de comprendre et de reproduire le système pivotant du Hygroscope. Pour cela, on a fait une petite maquette en balsa sur laquelle on attache une éponge (en effet, les éponges absorbent très bien l'eau comme tout le monde sait, et sont donc parfaits pour réagir à la pluie) avec un petit contrepoids qui pèse P2. Quand l'éponge est sèche, elle est à l'équilibre à la verticale, et elle pèse alors P1<P2. Quand il commence à pleuvoir (ce jour-là il n'a pas plu comme par hasard, on a donc simulé la pluie dans le lavabo), l'éponge se gorge d'eau et commence à prendre de la masse. Elle bascule et se retrouve finalement dans un état horizontal. On a alors P1>P2. Quand l'eau commence à s'évaporer (on a donné un petit coup de main en serrant l'éponge pour l'égoutter), le contrepoids devient de nouveau plus lourd que l'éponge et celle-ci revient à sa position initiale.

Finalement, on s'est encore dit que ce serait chouette que les visiteurs peuvent actionner les lamelles eux-même en cas de jours sans pluie (si si, ça existe même en Belgique à ce qu'il paraît!). Pour cela on a imaginé des colonnes remplies en partie d'eau, qui vont du sol jusqu'à nos lamelles. En bas, les colonnes seraient en contact avec une nappe d'eau qui se cache en-dessous des dalles du pavillon. Dès qu'on marcherait sur ces dalles, l'eau dans la colonne monterait sous la pression et entre en contact avec les lamelles, qui vont alors se déplier.

Le briefing de ce soir-là était constructif, vu que plusieurs choses sont devenues plus claires: il ne faut pas ne pas du tout penser au pavillon. Il faut faire des aller-retours permanents entre l'expérience et le pavillon. On a une idée pour un pavillon, on va creuser pour comprendre comment cela pourrait marcher. On va alors voir comment ça fonctionne sur le pavillon. Ah, ça ne marche pas? Il faut alors retourner sur l'expérience. C'est un vrai va et vient continu. En plus, on a compris qu'il faut un pavillon extrêmement simple. Si simple que les visiteurs devront comprendre le phénomène physique lorsqu'ils viennent voir le pavillon. Il ne doit pas nécessiter des tonnes d'automatismes rusés pour qu'il  puisse fonctionner. On laisse dès lors tomber l'idée avec les colonnes d'eau. 

Workshop, jour 1

En termes de quantité de travail, ce jour-ci était le plus calme pour nous. Il s'agissait d'abord de se familiariser avec le nouvel endroit dans lequel on allait travailler les jours à venir, à découvrir le skatepark et à se mettre en place. L'après-midi, on a quand même su travailler sur le pavillon. Nous avons discuté des phénomènes physiques possibles à explorer pour rendre notre pavillon"dynamique" en quelque sorte. On voulait soit atténuer les affluences extérieures (de sorte à avoir un pavillon où il règnent la même température et le même taux d'humidité tout au long de l'année, par exemple), soit les exagérer. Les visiteurs pourraient donc retrouver des zones très humides, puis sèches, tantôt éclairées, tanôt sombres,...Avant de venir, nous avons tous les deux fait des recherches à ce sujet, et on a mis nos résultats en commun cet après-midi. Le premier brouillon ressemble à ceci:

• lumière: adapter luminosité (avec lamelles capillaires?), protection UV (cfr poils microscopiques chez l'edelweiss, la fourmi du désert,...), COMOLEVI Forest canopy (lui même inspiré de "Leaf color and shape enhance") 
• humidité: restituer/absorber l'eau dans l'air, matériaux poreux (argile, bois, BTC,...), ville de Shibam, nanocondensation 
• ventilation: flux d'air naturel, pressions différentes, ouvertures de différents côtés, disposition/taille/forme des ouvertures, ventilation en vaporisant de l'eau (cfr ruche d'abeille) 
• température: matériaux (grande inertie thermique, cfr Chinese ulm ou Rose wood), ouvertures (latérales, au plafond), structures fractales pour optimiser air exchange (cfr arbre de cyprès), couleurs (claires pour réflecter), structure rugueuse/lisse. Structure rugueuse chez les plantes = augmenter leur surface, donc évapotranspiration = diminue la température

Fig 1: Quelques inspirations pour concevoir un pavillon bioclimatique. De haut en bas: COMOLEVI Forest Canopy, Hygroscope, ville de Shibam

Tempérage du chocolat

But de l’expérimentation

Comprendre et mettre en évidence les différents points de fusion du chocolat noir, en imitant la méthode du chocolatier.

1. Hypothèses

L’aspect du chocolat varie beaucoup si on le chauffe et on le laisse refroidir par la suite. On a tous vécu la situation où une barre de chocolat commence à fondre un jour chaud en été. Après le refroidissement du chocolat, celui-ci ne ressemble plus à la barre d’avant: il est devenu terne et présente des traces blanchâtres. Cette transformation du chocolat est liée à une modification de sa structure cristalline. Le beurre de cacao présente en effet différentes températures de cristallisation, correspondant à différentes formes cristallines. Le schéma ci-dessous reprend ces formes cristallines associées à la température correspondante.

2. Intuition

En chauffant le chocolat, on provoque sa fusion: il passe de l’état solide à l’état liquide. Sachant que la température de fusion de la dernière phase cristalline est de 36°C, on va chauffer au-delà de cette température pour s’assurer que tout le chocolat a bien fondu et forme un liquide homogène. Connaissant les températures de fusion des différentes phases de cristallisation, on voudrait jouer là-dessus pour obtenir du chocolat présentant des aspects optiques et haptiques différents.

3. Expérience

Commençons par chauffer le chocolat. Pour ce faire, on le fait fondre dans un bain-marie, afin d’éviter que le chocolat ne brûle. On allume d’abord un réchaud à gaz, sur lequel on place un récipient en verre rempli d’eau. On casse le chocolat noir en petits morceaux, puis on le met dans un grand verre à eau vide. Ce verre est ensuite placé dans le récipient au-dessus du réchaud à gaz. Pendant que le chocolat chauffe, on remue régulièrement à l’aide d’une spatule en bois afin d’accélérer le processus et d'homogénéiser la température dans l’échantillon de chocolat.

Fig.1: Le chocolat dans son bain-marie (gauche). On remue régulièrement pour accélérer le processus (droite).

A l’aide d’un thermomètre électrique, on mesure la température à des intervalles réguliers. On élève ainsi la température du chocolat à 46°C, donc bien au-dessus des températures de fusion des six phases cristallines (phase six à 36 °C). Ensuite, il faut refroidir le chocolat à une certaine température. Ce processus est connu sous le nom de tempérage. Il existe différentes méthodes pour tempérer le chocolat. On pourrait par exemple verser une partie du chocolat dans un bain-marie d’eau froide avec des glaçons. Une autre possibilité est d'ajouter des pastilles de chocolat. Lorsque ces pastilles se mettent à fondre, la température de l’ensemble va diminuer (processus endothermique). Pour notre expérience, nous avons cependant opté pour la méthode du tablage, à l’instar de XXX.

Cette méthode consiste en général à verser la majorité du chocolat (typiquement ⅔ du contenu) sur le plan de travail en granit ou en marbre froide (le terme de tablage vient évidemment du mot “table”). Comme nous ne disposons pas d’une telle table, on va se contenter de notre table en bois, protégée à l’aide d’une feuille mince de Plexiglas.

D’un geste fluide, on remue sans cesse le chocolat en le ramenant des bords vers l’intérieur (vidéo disponible). Ceci évite un refroidissement trop vite et donc la cristallisation du chocolat aux bords. De plus, on va favoriser la nucléation au sein du chocolat.

Une fois que le chocolat a atteint une certaine température, on le verse de nouveau dans le verre avec le reste du chocolat. La masse, bien mélangée, va finalement atteindre une température d’environ 30°C.

Fig. 2: Tablage du chocolat. On verse le chocolat sur un support froid et propre (gauche). On le mélange ensuite d’un geste fluide des bords vers l’intérieur (milieu, droite).

A l’aide d’un bâtonnet en bois, nous avons dans un premier temps  prélevé un échantillon du chocolat à 46°C. Suite à cela nous avons diminué la température d’environ 70% du chocolat par tablage. Lors de ce procédé nous observons un changement d’état du chocolat qui au fil du temps devient plus visqueux et se solidifie légèrement. Afin d'éviter une solidification trop importante, on évite que le chocolat descend à une température en-dessous de 27°C. Finalement, après avoir remis le chocolat dans le verre, la température s'est élevée à 42°C. Cette température est bien au-delà de la température de fusion de la phase VI de cristallisation. Un second échantillon du chocolat fut donc prélevé, on répète le processus une seconde fois. Lors de cet essai, le chocolat sur la plaque est descendu à une température de 24°C puis une fois dans le verre il est remonté à 28°C, ce qui constitue donc la troisième et dernière phase de notre expérience

1. Mesures et observations

Le graphique ci-dessous reprend les températures prélevées aux différents moments du tempérage.

Comparons l’aspect des 3 échantillons prélevés à l’aide des spatules en bois.

Fig. 3: Échantillons de chocolat et leur température au moment du prélèvement. Les spatules “46” (avant tempérage) et “42” (après tempérage) proviennent de l’essai 1. La spatule “28” provient du deuxième essai (après tempérage).

On observe que le chocolat de la spatule “28” est bien plus terne que celui des autres spatules. Or, ceci provient du fait que le chocolat des deux autres spatules n’est pas encore séché, malgré le fait qu’on a prélevé des échantillons avec la spatule “28”. Ceci est tout à fait naturel. En effet, à température ambiante, les échantillons ayant des températures élevées mettent beaucoup plus de temps pour se solidifier que l’échantillon à 28°C.

2. Analyse et discussion

L'expérience n’a pas pu être réalisée dans des conditions optimales, le récipient à savoir le verre qui d’une part est doté d’une grande inertie thermique ce qui suite à la phase II as permit au chocolat de conserver une température stable. Ce qui ne nous a pas permis de refroidir le chocolat de manière optimale. Il en découle donc la décision de travailler l’ensemble de la phase III sur le support de table afin de diminuer sa température de

18 °C.

3. Conclusions et perspectives

Les trois phases ont montré différents résultats, à savoir la diminution du temps de réactions entre le chocolat et un corps chaud, dans notre cas le contacte d’une main. La troisième phase se montre beaucoup plus stable et la succession des processus a permis au chocolat d'augmenter le temps de fonte du chocolat.