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Les plus belles expériences de Physique

le  8-05-2008 à 01:15 #
Bonjour,

Afin d'y voir un peu plus clair dans ce topic, je rajoute une petite table des matières qui permettra d'aller directement à un sujet particulier.

@+

____________________________________________________________

Pendule de Foucault et réflexions sur la notion de référentiel

Expérience de Cavendish, ou comment peser la Terre

Principe de Mach

L'expérience de Franklin : comment mesurer la taille d'une molécule

Expérience de Galilée sur la chute des corps

Le train gravitationnel

L'expérience des fentes de Young

Quelques vidéos intéressantes

Le lit de clous ;)

Le ludion

Un mythe : les expériences de Physique réalisées au "milieu du monde"

La poussée d'Archimède, dans les liquides et dans les gaz

Réactions des métaux alcalins avec l'eau

____________________________________________________________


Bonsoir,

Il est bien connu que le Physicien est un homme qui passe son temps à faire des expériences. Si possible dans un laboratoire un peu mystérieux, avec des appareils au fonctionnement incompréhensible pour le commun des mortels. En tout cas, c'est comme ça qu'il est décrit par l'imagerie populaire.



Mais ce n'est pas toujours vrai dans les faits, et parfois le Physicien peut réaliser des expériences très simples, avec du matériel courant. Les conséquences de ces expériences peuvent par contre être beaucoup plus complexes, et même parfois être à l'origine d'une véritable révolution au niveau de notre manière de voir le monde.



Le but de ce fil est de présenter un certain nombre d'expériences qui ont marqué l'histoire des sciences d'une façon ou d'une autre.



Je vais commencer par une expérience assez intéressante, celle du Pendule de Foucault, pour faire plaisir à Pyrenne



A l'école, on apprend aux écoliers que ce n'est pas le Soleil qui tourne autour de la Terre, mais bien l'inverse. Et s'il est bien une connaissance partagée par de très nombreuses personnes, c'est bien celle-là. On a même tendance à penser que les Anciens étaient bien ignorants d'imaginer le contraire. Mais ce fait est-il aussi évident que cela ? Faisons l'expérience suivante : un bel après-midi ensoleillé, posons nous sur une chaise longue, une bière fraiche à portée de la main, et observons... Avons-nous l'impression d'être sur une boule qui tournoie sur elle-même telle une gigantesque toupie ? Personnellement, je n'ai pas cette impression (je viens à peine d'entamer ma première bière, peut-être qu'à la fin du pack... ). Par contre je vois le Soleil se déplacer dans le ciel. Si j'attends suffisamment longtemps, je le verrai faire une courbe dans le ciel, d'est en ouest. Comment prouver que c'est bien la Terre qui tourne, et pas le Soleil ?



Avant de répondre à cette question, je vais vous en poser une autre : savez-vous ce qu'est un pendule ? Plus exactement un pendule simple ? Comme son nom l'indique, le pendule simple est très simple : on prend un objet (par exemple une boule), et on l'attache au plafond à l'aide d'un fil. Si on écarte la boule de la verticale et qu'on lâche, le pendule va se mettre à osciller. On peut remarquer plusieurs choses :



* le pendule oscille dans un plan, à condition que l'on ait bien lâché la boule sans lui communiquer de mouvement sur le côté (sinon elle va décrire une ellipse).

* la période du pendule (le temps pour faire un aller-retour) est indépendante de la masse de la boule : le pendule battra à la même vitesse avec une bille ou une boule de pétanque.

* la période du pendule ne dépend pas de l'angle de lâcher, à condition que cet angle ne soit pas trop important.

* en un lieu donné, la période ne dépend que de la longueur du fil.



Toutes ces caractéristiques peuvent être retrouvées par l'étude physique du problème. Pour ceux qui sont intéressés par la mise en équation, ils peuvent aller voir l'article de Wikipédia, très complet et de très bon niveau.



Quel est le rapport avec notre problème ? Et bien, en 1851, un physicien nommé Foucault a construit un pendule géant qu'il a accroché sous le dôme du Panthéon : une sphère de 28 kg suspendue à un fil de 67 m de long ! Dans ces conditions la période est de 16,5 s environ : le pendule bat très lentement. Si on lance le pendule et que l'on observe son mouvement sur un temps assez long on s'aperçoit de quelque chose de surprenant : le plan d'oscillation du pendule tourne ! Physiquement, cela ne peut s'expliquer que par l'intervention d'une force qui ferait dévier le pendule. Or le pendule n'est soumis qu'à son poids (ainsi que la résistance de l'air, mais cette dernière ne peut que freiner puis stopper les oscillations, en aucun cas elle ne peut dévier la course du pendule). Fait encore plus surprenant : si on s'arrange pour lancer le pendule de telle façon que le plan d'oscillation passe par le Soleil, le plan d'oscillation semble suivre le mouvement du Soleil ! D'où l'explication du phénomène : ce n'est pas le plan d'oscillation qui tourne : il reste fixe (par rapport au Soleil), et c'est le Panthéon qui se déplace, en suivant la rotation de la Terre. On est donc parvenu à mettre en évidence la rotation de la Terre avec des moyens très simples. De plus le résultat est facilement visible par tout un chacun.



On peut s'arrêter là et dire que l'expérience de Foucault a été l'une des premières preuves du fait que la Terre tournait sur elle-même. Mais en fait, cette expérience soulève plus de questions qu'elle n'en résout. Car tout est relatif, comme le disait Galilée bien avant Einstein. Dire que le Soleil tourne autour de la Terre est tout à fait correct si on choisit la Terre comme référentiel. Mais est-ce bien judicieux de prendre la Terre comme référentiel d'étude ? On a vu que non, car dans le référentiel terrestre, le mouvement du plan d'oscillation du pendule ne s'explique que si on fait intervenir une force supplémentaire (la force de Coriolis) dont l'origine est justement la rotation de la Terre sur elle-même. Un référentiel plus judicieux est de prendre un référentiel géocentrique : le centre du repère est la Terre, et les axes ne sont plus solidaires de la Terre (i.e. ils ne tournent plus avec elle), ils pointent vers des étoiles fixes. Dans ce référentiel, le plan d'oscillation du pendule est fixe, et pointe tout le temps vers le Soleil. Chouette ! On a trouvé le bon référentiel ! Et ben non... Car en fait, si on attend suffisamment longtemps, on va s'apercevoir que le plan d'oscillation n'est pas rigoureusement fixe, et qu'il va tourner, pas vite certes, mais tourner quand même. Il va donc s'écarter peu à peu du Soleil. Que se passe-t-il ? Et bien on a oublié un autre mouvement : celui de la Terre autour du Soleil. La Terre tourne autour du Soleil en un an. Si le temps d'observation n'est pas négligeable devant une année, on ne peut plus faire abstraction de ce mouvement.



Que faire alors ? C'est simple, on change de référentiel, et on choisit un référentiel héliocentrique : le centre est le Soleil, et les axes pointent vers des étoiles fixes : le plan d'oscillation ne bouge plus, ça y est, et si le pendule pointe vers une étoile, il continuera de pointer vers elle. Le repère absolu. Et ben, non... Toujours pas... Car si on attend longtemps, très longtemps, on va s'apercevoir que le plan d'oscillation bouge par rapport aux étoiles fixes. Très très très lentement, mais quand même. Tout simplement parce que les étoiles ne sont pas fixes les unes par rapport aux autres : elles tournent toutes autour du centre de notre Galaxie. Par contre le temps mis pour faire un tour complet peut être très long : notre Soleil met environ 200 millions d'années pour faire un tour. Autant dire que sur la durée d'une vie humaine, le référentiel héliocentrique peut être considéré comme satisfaisant. Mais dans l'absolu, ce n'est toujours pas bon.



Un meilleur référentiel serait le référentiel galactocentrique : centre au centre de la Galaxie, et les axes qui pointent vers des galaxies lointaines. Mais comme les galaxies sont toutes en mouvement les unes par rapport aux autres, ça ne marchera qu'un temps. Plus l'objet de référence sera éloigné, plus longtemps ça marchera, mais ce ne sera jamais valable éternellement. En gros, on ne pourra jamais trouver un référentiel absolu, c'est-à-dire un référentiel où les lois de la mécanique s'expriment le plus simplement possible (les physiciens parlent de référentiel galiléen). Tout simplement parce que tout mouvement ne peut se définir que par rapport à un objet, et que tous les objets de l'Univers se déplacent les uns par rapport aux autres.



Les implications de l'expérience de Foucault sont donc beaucoup plus importantes que la simple vérification de la rotation de la Terre sur elle-même. C'est la vérification expérimentale de la non-existence d'un cadre de référence spatial absolu, problème qui turlupinait déjà Newton lorsqu'il peaufinait sa théorie. Un peu plus tard, Einstein montrera qu'il n'existe pas non plus de cadre de référence temporel absolu. Tout est vraiment relatif...



A lire : Pendule de Foucault sur Wikipédia

Ainsi que le très bon roman d'Umberto Eco mettant en scène ce pendule.


@+


(Modifié par Kweeky le 15-10-2008 à 20:37)
Anon145760
Profil Censuré
Re: Les plus belles expériences de Physique
le  8-05-2008 à 10:11 #
absolument génial

plein de pour toi, Kweeky, pour ton travail, et pour l'attention que tu prêtes aux autres

je vais l'imprimer pour ne pas le perdre et pouvoir le relire au chaud sous ma couette

ou au soleil avec une kro

pour référence supplémentaire, le passionnant petit livre de Stéphane Déligeorges : Foucault et ses Pendules, paru en 1990 et réédité en 1995 aux Editions Carré dans la Collection Vues des Sciences

j'ignore si on le trouve encore chez les libraires, mais si vous avez un bon bouquiniste, ça doit être possible

pour celles et ceux que ça interesse:

le lien du serveur World Wide Arts et Sciences :

http://www.CARRE.com/

Ajout du 08-05-2008 à 10:15:

et un + pour kweeky :

Ajout du 08-05-2008 à 10:26:

et je signale également, pour celles et ceux qui préfèrent VOIR plutôt que LIRE, qu'il y a un Pendule au Phanthéon

et un autre dans la charmante église de St Martin des Champs, ce dernier a été installé pour l'Exposition Universelle de 1855!

bonne promenade!

Ajout du 08-05-2008 à 10:27:

pardon, Panthéon, lol, le "Phanthéon", c'est le panthéon des fantasmes, rien à voir
Re: Les plus belles expériences de Physique
le  8-05-2008 à 10:53 #
Salut,

Pour visualiser un peu mieux ce qui se passe, voici une petite vidéo trouvée sur Youtube :



On comprend mieux les effets de la force de Coriolis, qui en fait n'existe pas dans un repère parfaitement galiléen. Dans le cas de la première vidéo, on voit bien que pour un observateur extérieur au plateau tournant, les boulets vont en ligne droite. Pour un observateur solidaire du plateau, les boulets sont déviés, ce qu'on explique en ajoutant la force de Coriolis, qui est une force d'inertie. Les forces d'inertie disparaissent ou changent de valeur quand on change de référentiel d'étude. Ce ne sont donc pas de "vraies" forces comme l'attraction gravitationnelle, ou la force électromagnétique. Par contre les effets des forces d'inertie sont réels, il n'y a qu'à demander à la salade qui sort de l'essoreuse.

Dans la troisième vidéo, on s'aperçoit que dans le repère du plateau tournant, le pendule fait une espèce de "rosace" : c'est exactement ce que fait le pendule de Foucault, mais l'effet est moins marqué, car la période des oscillations est petite par rapport à la période de rotation de la Terre. Une autre vidéo montre ça :



@+

P.S.: Il y a un effet dû à la latitude du lieu : si on se place aux pôles, on se doute que le plan du pendule va faire un tour en 24 heures (23 h 56 m 4 s) en fait. A la latitude de Paris, le temps est un peu plus long (un peu plus de 32 heures). A l'équateur, le plan du pendule ne bouge pas. Dans l'hémisphère Sud, le plan du pendule tourne dans le sens inverse que dans l'hémisphère Nord.

(Modifié par Kweeky le 08-05-2008 à 10:55)
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 12-05-2008 à 19:17 #
Bonjour,

Une autre jolie expérience de Physique, qui montre que sans utiliser de matériel hyper sophistiqué on peut avoir accès à des résultats étonnants, à condition de manipuler avec rigueur. Je vais vous présenter l'expérience de Cavendish (1798). Le but premier de cette expérience était de déterminer expérimentalement la valeur de la constante universelle de gravitation.

Question : cékoidonc, la constante universelle de gravitation ? Pour y répondre, je vais être obligé de présenter une formule. Promis, ce sera la seule .

A la fin du XVIIème siècle, Isaac Newton, en observant les pommes qui tombent des pommiers et la Terre qui tourne autour de la Terre, découvre un fait étonnant : tous les objets s'attirent, et ce d'autant plus qu'ils sont massifs et qu'ils sont proches. Cela se traduit mathématiquement de la façon suivante :



Cette formule veut dire qu'un objet A (dont la masse est mA) va attirer un objet B (de masse mB) situé à une distance d avec une force dont l'intensité sera égale à F. Le nombre G est une constante qui permet d'avoir les bons résultats numériques avec le jeu d'unités choisies. C'est cette constante que permet de déterminer l'expérience de Cavendish.

A priori, on se dit que la détermination de G est assez simple : on prend deux objets dont les masses sont connues, on les place à une distance déterminée, et on mesure la force. Le problème est que la force d'attraction gravitationnelle est extrêmement faible. C'est même la plus faible de toutes les forces de la Nature. Si on passe un aimant au dessus d'un clou, le clou saute pour se coller à l'aimant : un aimant de quelques dizaines de grammes permet à vaincre l'attraction de la Terre entière. La force magnétique est incommensurablement plus forte que la force d'attraction gravitationnelle. Elle nous semble pourtant très forte, cette attraction gravitationnelle : on se fait très mal quand on tombe. Cela est dû au fait que lorsque nous tombons, nous sommes attirés par un objet très très très massif : la Terre (environ 6 000 000 000 000 000 000 000 000 kg !!!). Par contre, pour des objets de masse usuelle, la force d'attraction est insignifiante : si on se place à un mètre d'une autre personne, on ne ressent aucune force d'attraction (parfois si, mais cet effet n'a alors que peu de chose à voir avec la gravitation ). La faiblesse de cette force explique que les premières tentatives pour mesurer G ne furent pas convaincantes.

Cavendish a utilisé pour son expérience un dispositif appelé pendule de torsion : voir la description sur Wikipédia. Cavendish plaça aux extrémités de la tige de son pendule deux petites boules métalliques de masse connue. Lorsque le pendule est dans sa position d'équilibre, si on approche de façon symétrique deux grosses boules (dont la masse est aussi connue), le pendule va s'écarter un peu de sa position d'équilibre. En effet, les petites boules vont subir l'attraction gravitationnelle due aux grosses boules : voir le schéma sur Wikipédia. La mesure de l'angle que fait alors le pendule avec sa position d'équilibre nous permet de déterminer la force d'attraction entre les petites et les grosses boules. Comme nous connaissons la distance et les différentes masse, nous pouvons alors calculer G. Dans la réalité, la mesure ne se fait pas en statique, mais en dynamique pour plus de précision : on laisse osciller le pendule de torsion en l'absence et en présence des grosses boules. L'étude des oscillations du pendule permet de déterminer G.

On peut maintenant se poser une autre question : quel est l'intérêt de tout cela pour le quidam ? Nous avons déterminé expérimentalement la valeur d'une constante universelle utilisée seulement par les physiciens. Et alors ? Et bien la connaissance de G permet de faire une opération impossible autrement : si on la force avec laquelle la Terre attire un objet de masse donnée, on peut tout simplement déterminer la masse de la Terre ! C'est pourquoi cette expérience historique a été qualifiée "d'expérience de pesée de la Terre".

Il est aussi intéressant de noter que Coulomb a utilisé un dispositif semblable pour étudier la force électrique.

@+

A lire :
L'expérience de Cavendish sur Wikipédia.
Pesons la Terre sur le site du Palais de la Découverte. (avec une vidéo montrant l'expérience reproduite avec l'aide des moyens modernes).




(Modifié par Kweeky le 12-05-2008 à 19:21)
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 13-05-2008 à 09:56 #
salut

Kweeky..je n'ai rien à rien sauf un Bravo !
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 14-05-2008 à 22:57 #
J'avais manqué ce fil, très bonne idée!

Merci m'sieu Kweeky

Je n'ai que deux choses à ajouter: clic et re-clic

Ben

(Modifié par ben le 14-05-2008 à 22:57)
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 15-05-2008 à 17:15 #
Bonjour, je suis soufflé et content!
Merci couic hii pour ce cours très sympa, à quand l'émission tv?

Bravo, respect et merci.

@+
toy
Anon85851
Profil Censuré
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 15-05-2008 à 17:56 #
bonjour,Bravo à Kweeky pour ce sujet particulièrement intéressant.
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 15-05-2008 à 18:25 #
Merci à tous pour vos encouragements. La prochaine expérience que je présenterai, ce W.E. je pense, concernera plutôt l'infiniment petit. N'hésitez pas, vous non plus, à présenter des manips intéressantes.

@+
Anon85851
Profil Censuré
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 15-05-2008 à 18:30 #

Le 15-05-2008 à 17:15, toy31 :
Bonjour, je suis soufflé et content!
Merci couic hii pour ce cours très sympa, à quand l'émission tv?

Bravo, respect et merci.

@+
toy

Avec les frères B?
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 15-05-2008 à 18:33 #
Je pensais plus à "c'est pas sorcier"
Anon85851
Profil Censuré
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 15-05-2008 à 18:38 #
Il n'y a pas photo
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 15-05-2008 à 18:40 #
Si c'est bien payé, je veux bien faire le guignol à la télé en tenue de cosmonaute... Par contre, je ne suis pas très chaud pour la greffe de menton...
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 15-05-2008 à 20:17 #


Ça me rappel mon spirographe...
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 16-05-2008 à 22:11 #

Très bonne expli de Kweeky sur le pendule de Foucault et l'expérience de Cavendish.

Je rappelle que j'ai fait tout un dossier sur ce thème avec moultes illustrations et il est vrai que je n'ai pas abordé cet aspect de changement de référentiel (je le mettrai en note qq part un de ces 4) :

dossier sur l'effet Coriolis et sur le pendule de Foucault
On peut encore aller plus loin car (réflexion de E.Mach qui avait inspiré fortement Einstein), on peut très bien se demander ce que sont ces foutues "étoiles lointaines" et cela revient à se poser la question sur le thème de l'inertie.

Quant à Cavendish, une expérience du tonnerre que j'aimerais "voir" de mes propres yeux...

La meilleure vidéo que j'ai trouvée pour la voir (en différé) : http://www.palais-decouverte.fr/index.php?id=1397

(Modifié par newtoon le 16-05-2008 à 22:13)
Anon141853
Profil Censuré
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 16-05-2008 à 23:34 #
Kweeky super chouette topic et bien argumenter je pense que beaucoup de personnes s'intéressent à la science mais sans très bien y comprendre grand chose , vont y trouver pas mal de réponses et en plus c'est amusent de pouvoir refaire chez soi c'est petite expériences !

Très , très bon topic , éducatif , ludique et instructif !

Merci l'ami !

Ajout du 16-05-2008 à 23:37:

P.s petit coucou à Toy , jft , Newtoon , Scrofaxdu89 .

Ajout du 16-05-2008 à 23:38:

Bisous Pyrenne !



et amitié Ben !
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 17-05-2008 à 09:19 #
Salut,

Encore merci à tous. Et bravo à Newtoon pour son site ! Vraiment formidable ! J'ai lu les dossiers sur les "forces" centrifuges et de Coriolis, et c'est vraiment très bien fait. Chapeau, car c'est tout sauf évident d'expliquer le phénomène physique réel qu'il y a derrière les lois. J'avais fait la même remarque que toi quant à l'introduction de la force de Coriolis lors de mes études de Physique : le prof nous avait montré qu'effectivement les formules de changement de repère faisaient apparaitre des nouveaux termes qui correspondaient aux forces inertielles. Un point c'est tout. Ensuite s'en suit tout plein d'exercices "d'application" de ces lois (style une charge qui se déplace le long du bras d'une grue qui tourne, et autre "joyeusetés" du même genre), mais d'explication "avec les mains", aucune. Cela dit, on n'a pas trop le temps pour ça en prépa...

Pour ce qui est des idées de Mach, que tu cites dans ton post, je pense qu'il n'est pas inutile d'en dire un peu plus, car c'est quelque chose qui n'est abordé que superficiellement lors des études scientifiques, quand c'est abordé. J'ai justement hésité d'en parler dans mon post sur Foucault, je ne voulais pas faire plus long que trop long.

Mach s'est posé la question suivante : comme on l'a vu, et comme le site de Newtoon l'explique très bien, les "forces" d'inertie (j'utilise le terme force, je sais, mais j'ai mis des guillemets, ça compte ? ) proviennent du fait, simple et étonnant, que tous les objets ont tendance à garder leur état de mouvement. C'est le principe de l'inertie : si un objet n'est soumis à aucune force (ou à des forces qui se compensent toutes), il continuera à se déplacer à sa vitesse actuelle et en ligne droite, et ce tant qu'une force n'agira pas sur lui. On dit qu'il a un mouvement rectiligne uniforme. D'où l'affaire du "rocker" (toutes mes condoléances à ton ami rocker au fait ) qui, loin d'être éjecté par la force centrifuge, a en fait continué d'avancer en ligne droite alors que sa camionnette tournait. Mais pourquoi les objets font-ils ça ? Pourquoi le principe de l'inertie ? En gros, pourquoi est-on déporté sur la droite si on tourne à gauche, ou pourquoi est-on poussé en avant lorsqu'on freine ? Donc Mach se pose cette question. Il voudrait savoir quelle est l'origine des forces d'inertie.

On peut alors imaginer l'expérience suivante. On va dehors, lors d'une nuit claire et étoilée. On emporte avec soi deux petites haltères. En se plaçant dans une zone dégagée, on tend les bras à l'horizontale, chacun portant une haltère, et on se met à tourner sur soi-même en levant la tête et en regardant les étoiles. On va s'apercevoir de deux choses : les étoiles se mettent à tourner (non, sans blague), et les haltères vont tirer sur nos bras à cause de la "force" centrifuge. Jusqu'ici rien de neuf sous le Soleil. Mais on sait que tout mouvement est relatif, et que si la personne tourne par rapport à l'Univers, l'Univers tourne aussi par rapport à la personne. Donc Mach se pose la question suivante : que se passerait-il si la personne reste fixe, les bras tendus, et que quelque chose (Dieu ?) se mette alors à faire tourner l'ensemble de l'Univers autour de lui (cette partie de l'expérience s'appelle une "expérience de pensée", car forcément elle est un peu dure à réaliser en vrai) ? Si le principe de relativité est correct, la situation est la même, et les mêmes effets devraient être observés, et donc les haltères devraient se mettre à tirer sur les bras de notre ami. En gros les forces d'inertie seraient dues aux interactions de l'objet avec tous les objets de l'Univers, y compris les plus éloignés. Cette idée très bizarre permettrait d'expliquer le fait suivant :

* si un astronaute démarre le moteur de sa fusée, il ressent une accélération, alors que son copain resté sur la Terre n'en ressent pas. Car l'astronaute accélère par rapport à la Terre qui peut-être considérée comme une bonne approximation de référentiel galiléen pendant un temps suffisamment court.

* si on imagine un univers entièrement vide, avec juste l'astronaute dans sa fusée, ressentirait-il une accélération s'il démarrait sa fusée ? Car si l'Univers est vide, par rapport à quoi peut-on dire qu'il accélère ? De même si l'Univers est vide avec seulement deux astronautes ayant chacun une fusée, si l'un démarre, qui ressentira l'accélération ? Car en l'absence de tout autre matière, la situation est symétrique et qui permet de dire que le vaisseau dont le moteur ne marche pas est un meilleur référentiel galiléen que le vaisseau qui a démarré ?

Cela dit, comme le faisait remarquer Feynman :

Pour autant que nous le sachions, Mach a raison : personne n'a à ce jour démontré l'inexactitude de son principe en supprimant tout l'univers pour constater ensuite qu'une masse continuait éventuellement à avoir une inertie !


le "principe" de Mach n'est donc pas un principe scientifique, car il est intestable (sauf avoir des contacts privilégiés avec Dieu le père) et restera donc à l'abri de l'expérience. Cela dit il permet de se poser des questions intéressantes et de s'apercevoir que même des théories "anciennes", comme la mécanique de Newton (fin du XVIIème) posent des problèmes qui sont loin d'être triviaux.

@+

P.S.: comme on s'est bien pris la tête (à deux mains), la prochaine fois je parlerai d'une chose beaucoup plus simple, et je vous montrerai comment avec du matos courant (i.e. que tout le monde a chez soi), on peut déterminer l'ordre de grandeur de la taille d'une molécule. Les élèves de Seconde n'ont pas le droit de souffler et de vendre la mêche...
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 17-05-2008 à 10:24 #
Merci pour les compliments Kweeky,

C'est amusant que nous ayons été confrontés au même problème concernant l'explication des forces d'inertie en milieu universitaire.

Mon histoire sur le HardRocker est véridique (c'est une proche amie du défunt qui me l'a raconté en tout cas et elle n'avait aucune raison de me mentir).

Je constate par tes remarques et explications que tu disposes d'un excellent niveau et un grand intérêt pour la vulgarisation. Ta dernière expli sur Mach est la plus limpide et intéressante que j'ai probablement jamais lue sur ce sujet : je l'ai donc pompée pour un futur dossier que je construis doucement sur le thème de l'inertie.

J'ai hâte de connaître cette petite expérience dont tu parles (et que je ne connais pas a priori).

PS 1 : pour l'anecdote, j'ai moi aussi (et plus que Kweeky) faillit passer à la télé pour TF1 (j'ai participé cette année au tournage d'une émission pour un Prime-Time un samedi soir). Malheureusement, l'expérience que je devais faire a à moitié râté et on a coupé la séquence au montage. Dans un sens, tant mieux.

PS 2 : Merci pour ton salut, Nico7413 !

(Modifié par newtoon le 17-05-2008 à 10:25)
Anon141853
Profil Censuré
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 17-05-2008 à 14:35 #

Kweeky et Newtoon !
Je prend grand plaisir à vous lire sur ce topic et à apprendre des choses que je n'ai eu hélas la chance d'apprendre à l'École car de mon temps ses courts n'existaient pas !

Pour une fois un site propose un topic instructif , riche et intéressant !
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 17-05-2008 à 17:52 #
Bonjour,

Je vais maintenant vous parler de l'expérience de Franklin, normalement bien connue des élèves de seconde.

En 1774, Frankin fait la manip suivante : il verse une cuillère à café d'huile à la surface de l'étang de Clapham dans les environs de Londres. Comme chacun le sait, l'huile ne se mélange pas avec l'eau (l'huile et l'eau ne sont pas miscibles) et l'huile reste à la surface de l'eau, car plus légère. L'huile va alors s'étaler à la surface de l'eau sur une très grande surface. Ici, je n'ai pas réussi à trouver une valeur exacte, il y a plusieurs sources qui donnent des valeurs de plusieurs centaines à plusieurs milliers de m² : ce qui est sûr c'est que la surface recouverte par ce film d'huile va être très importante. En contrepartie, l'épaisseur du film d'huile va être très petite, si petite qu'il devient impossible de le détecter par la vue. Mais Franklin remarque que partout où l'étang est recouvert d'huile, la surface est calme et n'est pas dérangée par le vent qui va créer des rides à la surface, là où il n'y a pas d'huile. (L'expression mer d'huile vient de là, et dans l'Antiquité, les marins versaient de l'huile dans la mer pour calmer les vagues. Même si le principe est bon, j'ai des doutes quant à l'efficacité pratique d'une telle opération par gros temps. Si quelqu'un a des infos là-dessus, je suis preneur). Il arrive donc à déterminer la surface de la couche d'huile. Et il s'arrête là. Dommage... Heureusement, plus tard, Lord Rayleigh a une idée géniale : il divise le volume d'huile versé par la surface de la couche d'huile, afin d'obtenir l'épaisseur de la couche d'huile, et il trouve une valeur de l'ordre du nanomètre. Un nanomètre (nm), c'est une longueur vraiment petite, un milliard de fois plus petite qu'un mètre (1 nm = 0,000 000 001 m). Pour donner un ordre d'idée, un virus (qui est quand même tout petit) va mesurer une centaine de nanomètres. Si on considère que l'huile va s'étaler au maximum au dessus de l'étang, l'épaisseur minimale que le film d'huile peut atteindre sera la taille d'une molécule : on a un film monomoléculaire. La valeur trouvée est donc un ordre de grandeur de la taille de la molécule d'huile. (Je dis bien un ordre de grandeur, car la détermination du volume d'huile versé ainsi que de la superficie du film d'huile sont difficiles à réaliser avec une très grande précision).

Cette expérience historique peut être réalisée à la maison avec très peu de moyens techniques. Il faut juste un minimum de soin et de rigueur afin que les résultats soient un tant soit peu significatifs. Comme un étang, ça prend de la place, on va utiliser une simple bassine remplie d'eau. Pour être sûr d'avoir une couche monomoléculaire d'huile, il faudra donc en déposer très peu, bien moins qu'une cuillère à café. Juste une goutte. Et même une goutte, ça risque d'être trop. Que faire, alors ? Et bien on va diluer l'huile dans un solvant volatif, comme de l'éther ou de l'acétone. Par exemple une solution au 1/500 ème. L'intérêt de la manoeuvre est double : comme l'huile sera diluée, la quantité d'huile versée sera plus petite que la quantité de solution versée. Si la dilution est au 1/500ème, cela voudra dire que si on versait 500 mL de solution, il n'y aurait qu'1 mL d'huile versée. On est sûr de déposer une quantité petite d'huile à la surface de notre bassine. L'autre intérêt est le fait que le solvant soit volatil. Comme on va versé une petite quantité de solution (une goutte), le solvant va facilement pouvoir s'évaporer, et il ne restera que la toute petite quantité d'huile à la surface de l'eau. Le principe est donc tout bête : on prépare une solution d'huile d'olive dans de l'éther (par exemple), et on en verse une goutte à la surface de l'eau. Problèmes qui se posent :

* comment va-t-on pouvoir mesurer la surface du film d'huile qui va se former à la surface, sachant que celui-ci est invisible, car très très fin ?
* comment savoir quel est le volume d'une goutte ?

Pour le premier problème, il existe une solution ingénieuse : on recouvre la surface de l'eau avec du talc. Lorsque la goutte d'huile en solution va toucher l'eau et s'étaler, elle va écarter le talc. La "flaque d'huile" sera donc parfaitement matérialisée et visible.

Pour le deuxième problème, le soucis vient du fait qu'une goutte, c'est tout petit. Si je verse une goutte d'huile dans un verre doseur, je n'atteins pas, et de loin, la première graduation. L'idée est donc la suivante : pour un liquide donné, et en utilisant le même compte-goutte, la taille des gouttes sera à peu près constante. Il suffit de compter le nombre de gouttes qu'il faut pour faire 1 mL, en faisant tomber l'huile au goutte à goutte dans une éprouvette graduée. Si vous n'avez pas de récipient gradué au mL (c'est quand même pas courant en cuisine), il faudrait faire ça avec une quantité plus grande, mais du coup le nombre de goutte sera plus important et on risque de se lasser très vite. En moyenne, on doit trouver de l'ordre d'une quarantaine de goutte pour faire 1 mL. De là, on connait le volume d'une seule goutte. Comme on connait la concentration de la solution d'huile (puisqu'on l'a préparé avec soin), on connait le volume d'huile d'olive présent dans une goutte de solution, c'est-à-dire le volume d'huile d'olive qui sera versé à la surface de l'eau.

Une fois la goutte versée, il suffit de mesurer la surface de la tâche d'huile. Normalement, la tâche d'huile est presque circulaire (c'est une conséquence des phénomènes de tension superficielle). On peut donc estimer sa surface en estimant son diamètre (Vous savez tous calculer l'aire d'un disque à partir de son diamètre, non ? ). Si on veut plus de précision (mais est-ce vraiment la peine, puisqu'on cherche juste un ordre de grandeur), il existe une méthode astucieuse, bien que difficile à mettre en oeuvre : on place une plaque de verre au-dessus de la bassine, et avec du papier calque, on décalque la tâche d'huile. Puis on découpe le dessin de la tâche, et on pèse le morceau de papier calque ainsi découpé avec une balance de précision. On pèse ensuite une feuille de papier calque entière. Le rapport des deux masses est égal au rapport des deux surfaces. Et on connait la surface d'une feuille entière, car on sait calculer l'aire d'un rectangle (n'est-ce pas ? ).

Et bien si on divise le volume d'huile par la surface de la tâche (attention aux unités, c'est un très bon truc pour se planter), on obtient une longueur de l'ordre du nanomètre. Comme quoi ça marche...

Cela dit, ça a l'air facile comme ça. C'est toujours facile quand on explique. La réalisation est moins évidente, mais c'est possible, après quelques essais infructueux afin de bien mettre au point le protocole.

Un dernier mot sur une propriété intéressante de la couche d'huile : les molécules "d'huile" (d'acide oléique exactement) sont des molécules allongées, ayant des extrémités qui ont des propriétés différentes :



La partie gauche, qui comporte des atomes d'oxygène (en rouge) est hydrophile : elle a une certaine affinité pour l'eau. C'est la partie qui est en contact avec l'eau. La partie de droite, qui est une longue chaine hydrocarbonée (formée d'atomes d'hydrogène et de carbone) est hydrophobe : elle n'aime pas l'eau : elle restera en contact de l'air. Cela implique donc que les molécules d'huile vont se disposer verticalement à la surface de l'eau, la tête hydrophile plongée dans l'eau, et la queue hydrophobe en l'air. Une petite animation pour voir ce que ça donne (cliquer sur "Pourquoi" lorsque c'est demandé).

Je finirai en vous conseillant la lecture de ce texte très intéressant de Pierre-Gilles de GENNES sur le sujet, ainsi que le visionnage de cette vidéo qui vous permettra de voir comment ça se passe.

@+
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 17-05-2008 à 18:15 #
Kweeky, félicitations pour ces contributions de grande qualité!
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 18-05-2008 à 10:58 #
Le texte de Franklin :

"At length being at Clapham, where there is on the common a large pond which I observed one day to be very rough with the wind, I fetched out a cruet of oil and dropped a little of it on the water. I saw it spread itself with surprising swiftness upon the surface; but the effect of smoothing the waves was not produced; for I had applied it first on the leeward side of the pond where the waves were greatest; and the wind drove my oil back upon the shore. I then went to the windward side where they began to form; and there the oil, though not more than a teaspoonful, produced an instant calm over a space several yards square which spread amazingly and extended itself gradually till it reached the lee side, making all that quarter of the pond, perhaps half an acre, as smooth as a looking glass. "


+ une meilleure vidéo pour illustrer le phénomène :
http://www.youtube.com/watch?v=00PPPt7EJqo

(Modifié par newtoon le 18-05-2008 à 11:09)
Anon141853
Profil Censuré
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 18-05-2008 à 12:24 #
Pleace im dont not speack englich t'is possible for one traduction thanks !
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 18-05-2008 à 22:29 #

Le 18-05-2008 à 12:24, nico7413 :
Pleace im dont not speack englich t'is possible for one traduction thanks !


En Français, ça serait beaucoup moins classe...

C'était juste la petite touche d'info (la source ultime) car tout a été admirablement développé par Kweeky (j'aurais eu du mal à faire aussi bien que lui).

Au fait, dans ma jeunesse, j'ai lu une bonne partie de l'autobiographie de Franklin et j'avoue que sa vie était une des
plus riches qui soient. Il a tout fait ou presque : scientifique de haut vol (on en a parlé un peu), journaliste (il a débuté en bas de l'échelle dans l'édition), ambassadeur, musicien (il a créé un orgue qui porte son nom), politique (il est à l'origine de la Constitution US, rien que ça) et chef d'entreprise (il a créé une sorte de compagnie de pompiers). C'est un de mes personnages préférés.
Par contre, il avait une hygiène de vie qui était des plus contraignantes : il planifiait toute sa journée, presqu'à la seconde près. Ca fonctionne (d'après sa vie) mais cet effort reste pour moi surhumain...


(Modifié par newtoon le 18-05-2008 à 22:59)
Anon141853
Profil Censuré
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 18-05-2008 à 23:56 #
Merci Newtoon ! passe une bonne nuit !
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 23-05-2008 à 23:44 #
Bonsoir à tous,

Une autre expérience intéressante et dont le résultat peut surprendre est celle que l'on nomme l'expérience de galilée. La question est : cette expérience a-t-elle vraiment été réalisée, ou est-elle une légende, comme la fameuse pomme de Newton ?

Toujours est-il que Galilée aurait laissé tomber plusieurs objets, de masses différentes, du haut de la tour de Pise afin d'étudier la chute des corps. Il aurait ainsi découvert un fait étonnant : deux objets lâchés d'une hauteur H mettront le même temps T pour parvenir jusqu'au sol. Ce résultat est loin d'être évident, et est en totale contradiction avec ce que l'on croyait auparavant, en s'appuyant sur la théorie d'Aristote. Selon ce dernier, un objet lourd tombera plus vite qu'un objet léger.

Minute... Galilée s'est forcément trompé, me direz-vous. Il est évident qu'un objet lourd doit tomber plus vite qu'un objet léger : si je lâche de la même hauteur un marteau et une plume d'oie, il est évident que le marteau va toucher le sol avant la plume d'oie. Comment pourrait-il en être autrement ?

Effectivement, c'est ce qui se passe, avec le marteau et la plume d'oie. A priori, la plume d'oie, plus légère, tombe moins vite que le marteau, plus lourd. Je vous propose maintenant de tenter l'expérience suivante : vous allez vous munir d'une feuille de papier format A4 et d'une balle de tennis (on ne va pas utiliser encore une fois le marteau, les voisins du dessous se sont plaints). Lâchez les deux objets de la même hauteur. Qui touche le sol en premier ? Maintenant, froissez la feuille de papier de façon à en faire une boulette. Lâchez maintenant la boulette de papier et la balle de la même hauteur. Que se passe-t-il maintenant ?

Comment expliquer cette différence de résultat ? Lorsqu'on froisse la feuille, la masse de celle-ci ne change pas. Pourquoi alors tombe-t-elle plus vite, alors qu'elle est toujours aussi légère ? Tout simplement parce que nous baignons en permanence dans un fluide : l'air. Les objets qui tombent à la surface de la Terre ne sont pas réellement en chute libre : ils subissent des frottements dûs à l'air. La valeur de ces forces de frottements dépend de la vitesse de l'objet, ainsi que de sa forme. La situation n'est donc pas la même pour une feuille de papier (qui va offrir une grande surface) que pour une balle de tennis. D'ailleurs le comportement n'est pas le même : la balle va chuter en ligne droite, la feuille va tomber en "tourbillonnant". Lorsque la feuille est froissée, elle offre une surface moindre, et les frottements sont moins importants. C'est pourquoi le résultat de Galilée nous semble contre intuitif : selon notre expérience quotidienne, les objets ne tombent pas à forcément à la même vitesse.

Comment vérifier ce qui se passerait en l'absence de frottements, c'est-à-dire en l'absence d'air ? Ben, en enlevant l'air, pardi ! Ce qui est plus facile à dire qu'à faire... D'où l'idée d'utiliser un tube de verre hermétique dans lequel on pourra faire le vide : le tube de Newton. Techniquement, ça ressemble à ça :


(image provenant de ce site présentant d'autres instruments intéressants)


Le tube comporte un robinet (en bas sur la photo). A l'intérieur, il y a divers objets : bille, plomb de chasse, petits bouts de papier, etc...

Si le robinet est ouvert, le tube est plein d'air. Si on le retourne, on va voir les petits objets qu'il contient tomber à des vitesses différentes : la bille tombera plus vite que le bout de papier, comme on l'observe normalement.

En utilisant une pompe pour aspirer l'air à l'intérieur du tube, on va y créer le vide. On referme alors le robinet afin que l'air de la pièce ne rentre pas dans le tube pour combler le vide. Si maintenant on retourne le tube, on verra les objets tomber à la même vitesse. Notamment, on verra le petit bout de papier tomber comme une pierre. La différence de comportement entre la situations "tube plein d'air" et "tube plein de vide" (plein de vide ? C'est français, ça ?) est vraiment visible, et est très surprenante. Même des élèves des classes scientifiques des lycées sont vraiment très surpris par ce qu'ils voient.

Comme tout le monde n'a pas de tube de Newton et de pompe à vide à la maison, je vous propose une petite vidéo. Je n'en ai malheureusement pas trouvé en streaming, et il vous faudra la télécharger sur cette page (rubrique Mécanique). J'ai aussi trouvé une simulation de l'expérience sur cette page (les deux autres animations sont intéressantes aussi).

Pour finir, il faut savoir que cette expérience a été réalisée à plus grande échelle en 1971 : sur la Lune. La Lune étant en effet dépourvue d'atmosphère, une plume et un marteau y tombe exactement à la même vitesse, comme ont pu le démontrer les astronautes de la mission Apollo 15 :



A lire aussi, une autre page intéressante sur la chute des corps

@+


(Modifié par Kweeky le 23-05-2008 à 23:50)
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 26-05-2008 à 12:17 #
Bonjour,

J'aurais eu un prof de physique qui m'aurait expliqué la physique comme tu le fais Kweeky, je m'y serais sans doute plus intéressée. Bravo.

A+ Monelle
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 26-05-2008 à 14:05 #
Quelle vidéo antologique ! Mon prof de physique me l'a montré aussi en cours après le tube de Newton.

Merci Kweeky !

Les profs de physiques seraient-ils tous fabriquer dans le même moule ?

+
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 26-05-2008 à 14:40 #
WoOoOoW

Magistral kouz Kweek !
Re: Les plus belles expériences de Physique
le 27-05-2008 à 11:45 #
Superbe explication d'expériences : au passage, je n'ose pas imaginer le nombre de personnes qui ont du mal à accepter ce fait sur la chute des corps (même avec un certain niveau). Un sondage SVP ?


Il me semble qu'il reste un chouilla d'explications à apporter.



Je pense qu'il faudrait compléter les infos sur la légende. Il est simple de comprendre pourquoi il s'agit d'une légende a priori : Galilée
n'avait pas de chronomètre (ni de simple montre) à l'époque. La mesure du temps était donc très imprécise.

De plus, la hauteur de la tour de Pise n'est pas si importante que cela.

Il était beaucoup plus simple et beaucoup plus précis de faire rouler des objets de densités différentes sur des plans inclinés : ce que fit Galilée.

Maintenant, la légende a du bon aussi pour l' "image d'Epinal" (comme la pomme de Newton).

Il est intéressant de regarder de plus près certaines légendes. La plus fameuse de toutes est sans nulle doute celle du procés de Galilée. On sait maintenant que ce procés n'était pas si binaire que cela (les méchants cathos contre le scientifique et ses théories).

Voir Idées reçues (Imaginascience)

Galilée pouvait faire montre d'un caractère de cochon, d'une mauvaise foi (c'est le cas de le dire ) complètement incroyable pour un "scientifique" (il soutenait certaines théories sans aucune preuve, juste pour avoir raison) et d'attaques pernicieuses contre l'Eglise et ses représentants (rédaction de pamphlets satiriques où les noms étaient modifiés mais où on reconnaissait bien les personnages). Une chose est certaine : faut pas voir en lui une victime passive.

Le procès de Galilée porte bien son nom : il s'agissait bien de faire la peau de Galilée (afin qu'il arrête ses bétises et de penser qu'il avait toujours raison) et pas tant que cela de ses théories en soi dans le fond.

L'église surveillait surtout ses intérêts et sa stabilité. Galilée était un élément perturbateur (sur le plan politique). Le seul fait de mentionner que le Pape de l'époque était un ancien pote de Galilée vous ouvrira les yeux...

Bien entendu, j'ai grossi ici le portrait dans l'autre sens car il y a eu de nombreux rebondissements et d'attaques par des grenouilles de bénitier à l'époque mais il est bon de faire le contre-poids. Galilée reste un des plus grands génies en Science aussi ; que personne n'en doute.

Reste aussi que Galilée n'a jamais prononcé le fameux « Et pourtant elle tourne » (Eppur si muove). Heureusement, car il n'aurait pas pu apporter de preuve (voir le pendule Foucault dont on a parlé avant)...

Des mythes et images d'Epinal qui en prennent encore un coup ...

(Modifié par newtoon le 27-05-2008 à 11:47)

(Modifié par newtoon le 27-05-2008 à 11:48)

Ajout du 27-05-2008 à 12:50:

Au fait, j'avais trouvé un exemple simple pour convertir intuitivement les sceptiques sur le sujet de la chute des corps légers et lourds.

Prenons deux grands plongeoirs à droite et gauche de la piscine. A droite l'un, un plongeur se tient prêt.

Sur celui de gauche, il y en a deux.

Les trois sautent en même temps (hypothèse : ils font tous 70 kg).

Croyez-vous que si les deux plongeurs du plongeoir de gauche veulent arriver plus vite dans l'eau que le plongeur de droite, il suffit qu'ils se prennent la main ?
(pour ne former qu'un seul corps de 140 kg, au sens scientifique du terme bien sûr ... )




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