UDPPC AUVERGNE

QUESTION de PHYSIQUE

2006-01-28T23:00:00Z

Nous voici arrivés au termes des 52 questions de physique publiées chaque dimanche dans le cadre de 2005 Année mondiale de la Physique. Le comité de rédaction composé d'une dizaine de chercheurs, enseignants du supérieur et du secondaire remercie les lecteurs de leur intérêt et de leur assiduité. Ceux-ci ont voulu montrer que l'on pouvait comprendre et faire de la physique sans formalisme mathématique et vocabulaire trop spécialisé. Prendre des photos et recevoir la télévision avec son téléphone portable ne doit pas empêcher de s'émerveiller devant des phénomènes naturels. Observation, étonnement et questionnement sont indispensables pour comprendre. L'aspect culturel a été privilégié au détriment de la technicité. La connaissance ne se découpe pas en tranche, aussi les liens établis entre certaines questions au fil de leur publication, ont favorisé la compréhension. Le comité régional de l ‘Année mondiale de la physique souhaite qu'une publication avec quelques compléments voit le jour et poursuivra son action en direction du grand public. Comprendre un peu de science nous amène forcément à avoir une autre vision du monde qui nous entoure...

Qu'est-ce qu'une étoile filante ?

2006-01-21T23:00:00Z

Outre le soleil lui-même, ses planètes et leur(s) lune(s) éventuelle(s) de nombreux objets peuplent le système solaire. Les astéroïdes sont des petites roches irrégulières dont la taille peut atteindre quelques centaines de kilomètres, tel Ceres le premier astéroïde observé en 1801.


astéroïde: L'asteroïde Ida (56 km) et son satellite Dactyl (1.5 km)
Crédit : JPL/NASA

Environ 7000 astéroïdes sont recensés et l'on estime à 100000 le nombre de ceux qui seraient suffisamment brillants pour être observé de la Terre. La plupart orbite entre Mars et Jupiter dans une région 2 à 3,5 fois plus éloignée du Soleil que ne l'est la Terre et baptisée la ceinture d'astéroïdes. L'hypothèse selon laquelle la ceinture d'astéroïde résulterait de l'explosion d'une planète située entre Mars et Jupiter est aujourd'hui abandonnée. A l‘inverse, lors de la formation du système solaire, l'influence gravitationnelle de Jupiter a probablement empêché ces corps de s'agglomérer pour former une planète dans cette région. Si l'on trouve aussi des astéroïdes au-delà de Jupiter et de Saturne, certains d'entre eux visitent notre proche banlieue en s'aventurant à l'intérieur de l'orbite martienne voire même terrestre. En deçà de quelques mètres de diamètre, les astéroïdes ne sont pas suffisamment brillants pour être observé directement. On parle alors de météoroïdes dont la manifestation visible est le météore ou étoile filante lorsqu'il pénètre l'atmosphère et se consume par friction. Un résidu, le météorite, peut parfois atteindre la Terre. La collision avec des astéroïdes de grande taille est heureusement plus rare. Le Barringer Meteor Crater en Arizona dont le diamètre atteint 1 km a été crée par un astéroïde d'une cinquantaine de km de diamètre.

Si quelques météroïdes sont des fragments de Lune, la plupart sont des débris d'astéroïdes ou de comètes. Les comètes sont des corps de quelques km de diamètre, composés de glace et de poussière qui se distinguent des astéroïdes par la forme très aplatie de leur orbite qui les emmène aux confins du système solaire. Lorsque, périodiquement, la comète s'approche du soleil, le vent de particules solaires vaporise la glace qui la compose et une chevelure pouvant atteindre 100000 km resplendit. La fameuse comète d'Halley possède une période d'environ 75 ans, prédite par celui qui lui donné son nom en 1705 à partir des lois de la mécanique céleste de Newton. Sa dernière visite datant de 1986. Il faudra attendre 2061 pour la revoir ! Les comètes sont classées en deux catégories. Les comètes à courte période, inférieure à 200 ans proviennent de la ceinture de Kuiper, une région située au-delà de Neptune de laquelle le télescope Hubble a confirmé l'existence en 1992. La perturbation gravitationnelle des planètes géantes précipite vers le soleil certains des astéroïdes de cette région qui deviennent comètes. Les comètes à longue période qui pour la plupart n'ont été observées qu'une seule fois proviendraient du nuage d'Oort, situé très au-delà de Pluton entre 30000 et 100000 fois la distance Soleil-Terre. Le nuage d'Oort est probablement formé d'objets éjectés de l'intérieur du système planétaire par interaction gravitationnelle avec les planètes lors de la formation du système solaire. Certains de ces objets très lointains seraient précipités en direction du soleil par interaction avec les étoiles proches.


Comète: Comète de Shoemaker-Levy qui s'est brisée à l'approche de Jupiter avant de finalement de la percuter en 1994


Jupiter: Points d'impacts de la comète sur Jupiter

Pourquoi voit-on toujours la même face de la lune ?

2006-01-14T23:00:00Z

La lune met exactement le même temps pour faire un tour sur elle-même et pour faire le tour de la terre : 28 jours. C'est ainsi qu'elle nous montre toujours la même face ! Evidemment, une telle coïncidence s'explique : il y a un phénomène physique à l'origine de ce "hasard" et il est lié aux marées sur terre.

Comme la terre tourne, nous passons tous les jours au plus près puis au plus loin de la lune. L'attraction de la lune décroissant avec la distance, quand nous passons au plus près, nous ressentons un peu plus son attraction. Cette force qui nous tire très légèrement vers le haut, fait partie de ce qu'on appelle les forces de marées.

Bref, deux fois par jour des forces dûes à la lune on tendance à nous tirer très légèrement vers le haut : quand nous sommes au plus près, mais aussi quand nous sommes au plus loin de la lune. La terre elle-même est soumise à ces forces qui déforment légèrement le sol (ce que nous ne pouvons pas percevoir) et aussi la surface des océans. Ca par contre, nous le voyons, parce que l'eau se déforme plus facilement : ce sont les marées (voir ...).

Ceci dit, ce qui met les océans en mouvement, ça n'est pas tellement la lune : c'est plutôt que le fait que la terre tourne rapidement sur elle-même. Si elle ne tournait pas, il n'y aurait pas de marées. Or les marées dissipent de l'énergie : on peut la récupérer, c'est ce que font les usines marémotrices. Cette énergie c'est en fait de l'énergie de rotation de la terre ! Les marées (et les usines marémotrices, mais dans une bien moindre mesure) ont donc tendance à ralentir la rotation de la terre, et à augmenter la durée du jour. Il y a plusieurs millions d'années, le jour durait 18 heures seulement.

Eh bien à l'origine, la lune tournait sans doute sur elle-même beaucoup plus vite. Mais les forces de marées qui la déformaient étaient beaucoup plus importantes, car l'attraction de la terre est grande. Il y avait des marées de lune qui déformaient la roche ! Elles ont ainsi ralenti le mouvement de rotation de la lune sur elle-même, de manière à ce qu'elle nous montre toujours la même face. Ainsi, c'est à peu près toujours le même point de la lune qui est au plus près de la terre, et il n'y a plus de marées sur la lune.

Le système terre-lune se comporte, en plus, comme une patineuse qui tourne sur elle-même. Pour aller plus vite, la patineuse ramène ses bras vers elle. Pour ralentir, elle les écarte. Pour les mêmes raisons, lorsque la terre ralentit, la lune s'éloigne ! On peut même dire que finalement les usines marémotrices éloignent la lune...

Solide ou liquide ?

2006-01-07T23:00:00Z

Certains liquides ont l'étrange propriété de devenir pratiquement solides lorsqu'on leur applique une pression (ciment, maïzena) d'autres substances à l'apparence très solide se fluidifient lorsqu'elles subissent une contrainte (sables mouvants). Ces changements physiques n'ont rien à voir avec les changements d'états tels que la fusion ou la cristallisation. Des actions mécaniques modifient leur viscosité.

Une première expérience peut être faite avec un mélange à volume égal d'eau et de maïzena. On peut en faire une boule dans la main, mais dès que l'on n'exerce plus de pression, la pâte coule entre les doigts ! Si l'on frappe avec une louche ou un maillet la pâte résiste comme un solide ! Le même phénomène est observé avec le ciment. On peut marcher dans l'auge pleine alors que son contenu coule si on l'incline. La maïzena est constituée de longues molécules qui s'enchevêtrent et permettent d'acquérir une structure approchant celle d'un solide mais peuvent aussi se démêler pour couler...A l'image du plat de spaghettis...

A l'opposé d'autres substances sont moins visqueuses lorsqu'on leur applique une contrainte (certaines peintures, pommades, la crème Mont-blanc et surtout les fameux sables mouvants). On les rencontre dans les sols sablonneux saturés en eau remontant du sous-sol. Leur surface apparaît solide, mais la pression exercée par les pas fait chuter la viscosité provoquant une sorte de liquéfaction. Plus on s'agite et plus on s'enfonce ! Dès que l'on cesse de bouger le sable se solidifie. Contrairement à ce l'on voit dans certains films, la personne n'est jamais complètement engloutie car la poussée d'Archimède qui serait environ égale à deux fois son poids, fait que la moitié du corps reste émergé. Le même phénomène intervient pour les châteaux de sables (voir article du 21 août). Il ne faut pas une grosse perturbation pour détruire le château à structure « solide » et provoquer une mini avalanche...Tient ne pourrait-on pas interpréter par analogie les avalanches en montagne ou dans les dunes des sables ?

Pourquoi les verres chantent ?

2006-01-01T16:34:12Z

À la fin d'un repas où l'on a mis les petits plats dans les grands et les verres à pied devant les assiettes, il n'est pas rare d'entendre quelqu'un frotter l'embouchure d'un verre (les flûtes à champagne sont les plus prisées pour cette activité scientifique) et en tirer un son, diversement apprécié par l'assistance.

Pourquoi un simple verre se transforme-t-il alors en instrument de musique ? Faisons quelques expériences : Frappons la flûte de champagne : la note obtenue est de même hauteur que le son obtenu par frottement. Cela prouve que la note émise dépend du verre et non de la façon dont celui-ci est excité. Remplaçons la flûte à champagne par un verre ordinaire, une tasse ou même un gobelet en métal : on obtient également un son, beaucoup moins fort et plus grave. On peut aussi utiliser un bol chantant tibétain, aux propriétés acoustiques remarquables. L'émission d'un son n'est donc pas l'apanage de la flûte à champagne, mais le volume sonore est lié à la minceur des parois et aux propriétés du cristal. Versons du liquide dans la flûte. À partir d'un tiers environ, le son commence à devenir plus grave et continue de descendre la gamme à mesure que l'on remplit. On en déduit que la présence du liquide au contact de la paroi ralentit les vibrations de celle-ci. Finalement, on voit qu'une flûte à champagne obéit aux lois physiques des oscillations : la fréquence ou nombre de vibrations par seconde dépend de la rigidité du matériau et de sa masse. Nous avons donc cerné le rôle de la flûte : c'est un résonateur sensible à une fréquence bien précise ; cela explique d'ailleurs pourquoi une diva peut briser un verre par la seule force de son chant. Voyons maintenant le rôle du doigt. C'est son frottement sur le bord du verre qui entretient les vibrations. On constate qu'un doigt mouillé accroît considérablement l'efficacité du frottement, grâce aux forces de liaison de l'eau (celles qui permettent, par exemple, à un papier mouillé de tenir au plafond). (voir question du 30 janvier sur la tension superficielle) Il existe un instrument de musique, le glassharmonica, réalisé sur ce principe : des disques de verre de différents diamètres tournent et sont frottés par les doigts du musicien. Comme illustration, on peut écouter l'adagio K. 356 que Mozart a composé pour une jeune instrumentiste aveugle. Les lois de la Nature semblent conspirer pour associer musique et bonne chère ; si notre condition ne nous permet plus Delalande et ses symphonies pour le souper du Roy, nous pouvons au moins faire chanter les verres qui, une fois vidés, nous feront chanter nous-mêmes (à consommer avec modération).

Quel point commun entre les difficultés de l'ascension de l'Everest et celles des plongeurs dans les grandes profondeurs ?

2005-12-24T23:00:00Z

Quel point commun entre les difficultés de l'ascension de l'Everest et celles des plongeurs dans les grandes profondeurs ? Notre corps est sensible à la pression.

A la piscine, qu'arrive-t-il à un ballon gonflé en surface quand on l'emmène au fond ? Son volume diminue, il est flasque, comme s'il était dégonflé. En fait, la pression a comprimé l'air du ballon qui occupe alors un volume moindre. A la remontée, la pression diminue, l'air du ballon se détend et le ballon retrouve son volume initial une fois arrivé à la surface. Au fur et à mesure de la descente, la pression augmente. Mais celle-ci n'a de répercussions que sur les parties du corps qui contiennent de l'air. Notre corps est constitué d'environ 65% d'eau, incompressible, les parties corporelles qui en sont intégralement composées, sont parfaitement insensibles à l'augmentation de pression. Par contre, les autres, c'est-à-dire : les poumons, les sinus, la trompe d' Eustache, l'oreille moyenne et même une toute petite quantité d'air infiltrée à l'intérieur d'une dent, peuvent être susceptibles de causer des douleurs importantes car elles seront soumises à des actions mécaniques importantes du même type que celles subies par le ballon. L'autre problème est que nous ne pouvons respirer l'oxygène que dans une gamme de pressions partielles limitée. Dans l'air il y a approximativement 80% d'azote et 20% d'oxygène. A la pression atmosphérique il règne environ 1 bar. La part de pression due à l'oxygène est proportionnelle à sa concentration dans l'air : il participe donc pour 20% à la pression atmosphérique. On dit que à la pression atmosphérique, la "pression partielle" de l'azote dans l'air est de 0,2 bar. Dans l'eau, à une profondeur de 20 m, il règne une pression absolue de 3 bar, la pression partielle d'oxygène dans le détendeur d'un plongeur sera donc 3 × 20% = 0,6 bar.

Tous ceux qui ont eu la chance de gravir des hauts sommets savent combien l'effort est pénible au dessus de 3000 mètres. Les jambes paraissent lourdes et le souffle manque vite. Quelle que soit l'altitude à laquelle nous nous trouvons, l'oxygène représente toujours près de 20% des gaz présents dans l'air. Comme l'air se raréfie avec l'altitude, la quantité d'oxygène disponible diminue. Par rapport au niveau de la mer, au sommet de l'Everest les pressions de l'air et la pression partielle de l'oxygène sont divisées par trois. La pression partielle d'oxygène à la pression atmosphérique est 0,2 bar (normoxie)
lorsque la pression partielle d'oxygène est inférieure à 0,17 bars c'est 1'anoxie* génératrice de syncope,
entre 0,17 et 0,2 bars, c'est l'hypoxie : la quantité d'oxygène délivrée aux tissus est insuffisante par rapport aux besoins cellulaires. C'est ce qui arrive sur les hauts sommets.
pour des pressions partielles supérieures à 1,6 bars, c'est l'hyperoxie et l'oxygène devient toxique pour le plongeur. Quand on plonge à l'air (avec bouteille), cette valeur critique est atteinte à la profondeur de 70 m.

Et pourtant malgré tout cela, le corps de certains hommes est capable de s'adapter pour plonger en apnée jusqu'à plus de 100m de profondeur, respirer d'étonnants mélanges gazeux pour des plongées avec bouteilles ou pour gravir l'Everest sans équipement respiratoire !

Quel est le lien entre le ver luisant et la luciole en plastique ?

2005-12-10T23:00:00Z

Un petit point lumineux virevolte dans la nuit tombante d'un doux soir d'été. Vous avez sur votre étagère une petite statut qui éclaire dans l'obscurité. Votre enfant vous a convaincu de lui offrir le dernier gadget qui faisait fureur un soir de feu d'artifice pour décrire des spirales lumineuses dans la nuit. Est-ce le même phénomène qui est à l'origine de ces différentes productions de lumières ?

La lumière est une forme de transfert d'énergie. Nous avons vu qu'elle peut être la conséquence d'un échauffement comme dans la lampe à incandescence ( voir question du 27 novembre sur les lampes). Mais dans les cas cités précédemment, la lumière apparaît à la température ambiante. On parle de lumière « froide » . Le terme général utilisé pour désigner ces phénomènes est celui de luminescence. On les constate dans le règne minéral mais aussi végétal et animal. Le poète allemand Goethe remarqua cette propriété pour le phosphore. Le physicien Becquerel s'intéressa plus particulièrement aux sels d'uranium. Quant à Stokes, c'est la fluorite qui retient son attention et il donna le nom de fluorescence à cette propriété. Becquerel montra qu'en fait il s'agissait d'une phosphorescence de courte durée. Les minéraux absorbent de la lumière. Les atomes les composant sont excités temporairement. Ils retrouvent leur état normal en émettant de la lumière pour perdre leur excitation. Le minéral reste lumineux après que la source excitatrice ait été coupée, on parle alors de phosphorescence. Certains gardent leur luminosité plusieurs jours. Et la luciole (mouche à feu) ou sa larve, le ver luisant ? Elle produit de la lumière afin de se trouver une compagne. C'est un signal spécifique ^pour éviter les rencontres infructueuses . Mais comment fait-elle ? C'est un autre phénomène appelé bioluminescence. Il existe chez plusieurs centaines de genres différents appartenant au règne végétal (algues) comme au règne animal depuis les bactéries jusqu'aux vertébrés. Une transformation chimique est à l'origine de la lumière émise. N'est-ce pas merveilleux ?

Photographie d'un ver luisant

Pourquoi certains nuages sont-ils blancs alors que d'autres sont d'un gris menaçant ?

2005-12-03T23:00:00Z

Un enfant dessine volontiers un ciel bleu parsemé de nuages blancs. Quand le ciel est couvert, on le voit gris à partir du sol. Par contre, en avion même ces nuages paraissent comme être faits de coton d'une blancheur splendide. Pourquoi l'observation des couleurs différents ?

La couleur du nuage dépend de la taille des gouttes et des cristaux de glace qui le compose, de son épaisseur et de l'angle sous lequel il est éclairé par le soleil. Bien que les gouttelettes et cristaux de glace n'occupent qu'une faible partie du volume, ils diffusent la lumière solaire dans toutes les directions, et l'empêchent de traverser le nuage. Donc, à bord d'un avion le nuage est blanc et retrodiffuse la lumière comme une surface neigeuse. Au sol, il prend un aspect opaque et la couleur dépend de son épaisseur. Ainsi, un nuage blanc est suffisamment mince pour que quelques rayons lumineux traversent le nuage dans la direction du sol. Un gros nuage fait plus écran au rayonnement solaire, si bien que sa base apparaît noire et menaçante. L'effet est accentué lorsque de grosses gouttes ne sont présents près de la base, car celles-ci absorbent mieux et diffusent moins bien la lumière que les petites gouttes. Si elles deviennent assez grosses pour tomber du nuage vers le sol, ces gouttes forment des traînées de précipitation sombres et inquiétantes. (voir question du 9 janvier sur le bleu du ciel)


les nuages suffisamment épais font écran...: diffision de la lumière solaire

A propos du filet d'eau du robinet

2005-11-27T16:55:37Z

La prochaine fois que vous vous lavez les dents, observez l'écoulement du robinet.

Si le débit (volume d'eau écoulé chaque seconde) à la sortie d'un robinet n'est pas trop important, l'écoulement se fait sans turbulence. Nous constatons alors que le diamètre du filet d'eau diminue au cours de sa chute. Or du fait de l'attraction de la terre tout objet est accéléré au cours de sa chute. L'eau s'écoule donc de plus en plus vite lorsqu'elle s'éloigne du robinet. Le même volume d'eau se répartit donc sur une longueur de plus en plus grande qui est compensée par une diminution du diamètre du filet. Au bout d'une certaine hauteur de chute, le filet peut se couper et donner du goutte à goutte. La tension superficielle de l'eau (attraction entre les molécules d'eau) ne peut plus assurer la cohésion du filet. ( voir les questions du 30 janvier et du 21 août). Si l'on place le manche de la brosse à dent sur le trajet du filet d'eau, nous constatons que ce dernier reste collé à la brosse. On ne sait plus si ce dernier est attiré ou repoussé. Un phénomène similaire apparaît lorsqu'on verse doucement le contenu d'un verre ou d'une canette de bière. Le liquide qui s'écoule le long de la canette subit-il une dépression qui l'attire vers la paroi (effet Venturi) ou les molécules d'eau sont-elles attirées par la surface du récipient (tension superficielle) ? Et que toutes ces questions ne vous empêchent pas de vous brosser les dents !

Comment fonctionne une ampoule électrique ?

2005-11-20T12:49:36Z

Le principe de base est celui de l'échauffement d'un filament par un courant électrique.

La plus ancienne ampoule est la lampe à incandescence. C'est une des inventions majeures du 19ème siècle (1878). Elle est due aux travaux de l'américain Edison et de l'anglais Swan. Elle est constituée d'une ampoule de verre et d'un culot métallique. Sur le culot, deux points de contacts électriques permettent le passage du courant. A l'intérieur de l'ampoule, remplie d'un gaz inerte (argon, krypton) sans oxygène, un filament métallique (généralement en tungstène du fait de sa température de fusion élevée) est traversé par le courant électrique. Le matériau freine plus ou moins les électrons constituant le courant électrique. Cela entraîne un échauffement (appelé effet joule à 3000 °C). Le tungstène rougit alors entraînant une émission de la lumière qui devient de plus en plus jaune. C'est le rayonnement thermique qui nous éclaire.


lampe: Une lampe d'Edison.

Si le filament de tungstène se trouvait en présence d'oxygène, il chaufferait lors du passage du courant électrique, puis très rapidement se consumerait et casserait interrompant alors le passage du courant. Avec le temps le filament chauffe, se sublime (« se transforme » en gaz), perd de la matière qui se dépose sur le verre plus froid. L'ampoule devient plus opaque, le filament plus fragile finit par casser au bout de quelques centaines d'heures d'utilisation (1000 à 2000 h).

Au commencement, on utilisait le vide dans les ampoules. Maintenant les lampes ont été améliorées au fil des recherches. On utilise les propriétés des gaz : leur émission dans l'ultraviolet est transformée en lumière visible par la poudre fluorescente recouvrant l'intérieur de l'ampoule. Il existe dorénavant sur le marché de nouveaux types d'ampoules : à incandescence, halogènes, fluo-compact, ... Ces nouvelles technologies, permettent d'économiser de l'énergie tout en augmentant leur durée de vie et leur efficacité.