Les poêles en Télfon

26 08 2012

Il est loin le temps où il fallait être un expert pour ne pas accrocher ses oeufs au plat au fond de la poêle. La plupart des poêles sont aujourd’hui recouvertes d’un revêtement en Téflon qui empêche les aliments d’y adhérer. Mais d’où viennent les propriétés anti-adhésives du Téflon et alors comment fait-on pour le fixer au fond de la poêle ?

Le Téflon est un fluoropolymère, c’est-à-dire que c’est une longue molécule faite de la répétition d’un motif de base. Sa dénomination scientifique est le polytétrafluoroéthylène, est sa représentation moléculaire est la suivante :

Si le Téflon possède ces propriétés c’est grâce aux atomes de fluor. Ceux ci repoussent la plupart des autres atomes. Ainsi les molécules alimentaires, aussi bien hydrophiles que lipophiles, n’accrochent pas à ce matériau et glissent dessus. De plus la liaison fluor carbone est une liaison chimique extrêmement forte qu’il est très difficile de casser pour donner lieu à une réaction chimique. Ceci explique pourquoi le Téflon ne réagit avec presque rien et peut être qualifié de chimiquement inerte.

C’est en 1938 que le jeune chimiste Roy Plunkett découvre cette molécule. Il travaillait alors sur la mise au point d’un nouveau réfrigérant et avait voulu refroidir du tétrafluoroéthylène gazeux dans de la neige carbonique. C’est par hasard qu’il remarqua que ce gaz polymérise en une poudre soluble dans quasiment aucun solvant. Cette poudre sera brevetée en 1945 sous le nom de Téflon avec pour avantage de résister à des températures de 260°C, d’être inerte chimiquement et de posséder un fort pouvoir anti-adhésif.

Lé téflon fut d’abord utilisé pour réaliser des joints étanches dans le système de production de l’uranium 235. Il était le seul matériau capable de résister aux acides corrosifs nécessaire à la production du combustible nucléaire. L’utilisation du Téflon comme revêtement pour les ustensiles de cuisine est plus tardif. Il débute en 1951 aux Etats Unis et en 1956 en France avec la marque Tefal.

Ce retard s’explique par des difficultés techniques pour employer le Téflon dans une chaîne de production. En effet ce matériaux est tellement anti-adhésif qu’il est extrêmement difficile à déposer sur la plupart des supports. Les ingénieurs ont donc du rivaliser d’ingéniosité pour attacher le Téflon au fond des poêles de cuisine. Le procédé actuel est évidemment gardé secret mais l’idée générale est que la surface de la poêle (souvent an aluminium) est rendue rugueuse par la pulvérisation de sable chaud sous haute pression. Une première couche de Téflon est appliquée sur cette surface rugueuse où il va s’insérer dans les cavités de la surface. Le refroidissement de la poêle va resserrer ces cavités qui emprisonnent ainsi du Téflon. Ces dépôts vont servir de fixation aux couches de Téflon appliquées ultérieurement. Au final on obtient un revêtement lisse de Téflon à la surface de la poêle.

Les poêles au Téflon ont la réputation d’être cancérigène. Ceci est vrai mais ce n’est pas le Téflon qui est cancérigène mais l’acide perfluorooctanoïque et ses dérivés qui entrent dans le procédé de fabrication des poêles. De nombreuses marques proposent aujourd’hui des poêles anti adhésives sans ces composés cancérigènes aussi appelés PFOA.

Aujourd’hui les propriétés anti-adhésives du Téflon sont employées partout, de la carrosserie de nos voitures au toit du Centre George Pompidou de Metz, afin de limiter la salissure de ces surfaces… ou de permettre aux conducteurs de nouvelles expériences culinaires!

Sources :

Les Echos – Et dire qu’on a failli raté le Téflon… #

Axiome Café. Pourquoi le Téflon ne colle t-il pas? #

Wikipédia – Le Téflon. #

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L’azote liquide

20 05 2012

L’azote liquide est un liquide transparent qui a la particularité de bouillir à  -196°C à pression atmosphérique. Dans les conditions usuelles, le diazote sous forme liquide est donc nécessairement plus froid que cette température. Cette propriété fait de lui un fluide cryogénique très utilisé en biologie pour refroidir rapidement les tissus vivants.

Un liquide si froid s’évapore très rapidement à température ambiante, c’est pourquoi nous n’y sommes pas habitué. Afin de le conserver quelques heures, on le stock dans des récipients calorifugés (sur le principe des thermos à café). Ce liquide exceptionnellement froid permet d’imaginer une multitude d’expériences surprenantes. La première expérience que l’on a envie d’essayer avec l’azote liquide est celle qui consiste à plonger un solide à l’intérieur. Commençons avec une pièce de monnaie :

On remarque que les solides ont des propriétés bien différentes à cette température de -196°C. Ici une pièce de monnaie se brise facilement à l’aide d’un simple coup de marteau ce qui serait impossible habituellement. Ce phénomène est aussi vrai pour d’autres objets comme les gommes, les tickets de métro ou encore les fleurs.

Continuons en plongeant des ballons de baudruches dans un bain d’azote liquide :

Contrairement à l’intuition le ballon n’éclate pas mais rapetisse. En effet l’air qu’il contient (principalement de l’azote gazeux) se liquéfie au contact de l’azote liquide et occupe un volume bien inférieur. D’ailleurs lorsqu’on relâche des ballons noyés dans l’azote à l’air libre ils se réchauffent et retrouvent leurs tailles originelles :

L’expérience suivante consiste à jeter de l’eau chaude sur de l’azote liquide :

Cette explosion est bien inoffensive car elle ne fait que produire un nuage ! En effet au contact d’un environnement si froid, l’eau se condense en fine gouttelettes qui peuvent même congeler en minuscules cristaux. C’est exactement la composition de la brume ou d’un nuage que l’on peut observer dans la nature. Ce qui est impressionnant ici c’est la rapidité avec laquelle il se forme.

Enfin une expérience déconcertante est de tremper sa propre main dans l’azote liquide. Quoi mais vous êtes fou ? Transformer sa main en glaçon à -196°C, non merci ! Il se trouve que cette expérience est possible pendant une poignée de secondes. En effet la différence de température est telle entre notre main et l’azote liquide que lorsqu’on la plonge à l’intérieur, l’évaporation du liquide est telle qu’elle créer un fin film de vapeur qui isole notre main du liquide. Ainsi notre main ressort non mouillée et pas à -196°C. Ouf cet individu n’a pas connu une fin terrible :

Et pour finir par une note gourmande, l’azote liquide est aussi utilisé en cuisine afin de créer des glaces en quelques minutes. Et ce sans danger puisque l’azote liquide s’évapore ensuite dans l’atmosphère pour laisser de superbes crèmes glacées :

Source : Wikipédia – Azote liquide. #





Un secret nucléaire mal gardé

10 03 2012

Durant la seconde guerre mondiale, G.I. Taylor et d’autres physiciens se sont évertués à décrire la terrible puissance des bombes nucléaires. Taylor s’est intéressé à la croissance du champignon atomique successif à l’explosion d’une bombe nucléaire. Ce n’est que plus tard, en 1949, que le gouvernement américain déclassifie des images d’une explosion nucléaire au Nouveau Mexique. Taylor est alors en mesure de confronter ses travaux à l’expérience et d’en déduire l’énergie fournie par la bombe, information qui elle était alors classée « top secret ». Les militaires américains se sont retrouvés fort embarrassé d’avoir communiqué indirectement une information confidentielle aux scientifiques.

Forme du champignon nucléaire 15 ms après le début de l'explosion.

Si cette étude de Taylor est aussi connue, c’est que le résultat auquel il parvient peut être retrouvé très facilement par l’analyse dimensionnelle du problème. En effet, si l’on cherche à savoir comment évolue le rayon R du champignon atomique en fonction du temps et que l’on suppose que cette loi ne dépend que de l’énergie E dégagée initialement par la bombe et la masse volumique ρ de l’air, alors la seule dépendance possible dimensionellement est donné par :

Et c’est la série d’image suivante qui a permis a Taylor de confronter l’expérience à cette loi d’évolution.

Succession de photographies du champignon entre els instants 10 ms et 1,93 ms après le début de l'explosion

En mesurant sur ces clichés la rayon du champignon au cours du temps, il a pu tracer en échelle logarithmique la courbe suivante :

Cette courbe peut être interprétée en appliquant la fonction logarithmique à la loi d’évolution du rayon du champignon R en fonction du temps :

D’après cette expression on s’attend bien a observé, en échelle logarithmique, une relation linéaire entre 5/2 log R et log t. C’est bien ce que montre la faible dispersion des points expérimentaux autour de la droite noire sur le graphique précédent. De plus, un point de cette droite va nous permettre de déduire une valeur de 1/2 log E/ρ. Par exemple la droite passe approximativement par le point (-4 , 8), ainsi il vient que log E/ρ = 24. En supposant, comme Taylor, que la densité de l’air était de 2,5 kg/m³ on trouve que l’énergie de la bombe était de  . De quoi allumer une ampoule de 100 W pendant environ 3 millions d’années !

On peut voir dans cette exemple la puissance du raisonnement par analyse dimensionnelle. Il nécessite cependant de considérer les bons paramètres pour le problème considéré. C’est tout l’art du physicien que d’adopter les paramètres pertinents à sa résolution. Il est à noter que les travaux de G.I. Taylor sont bien plus développés qu’une simple analyse dimensionnelle. Il discute par exemple l’effet de la température et explique pourquoi elle n’intervient pas dans la loi précédente de croissance du champignon atomique.

Sources :

Wikipédia – Analyse dimensionelle. #

Wikipédia – G.I. Taylor. #

G.I. Taylor « The Formation of a Blast Wave by a Very Intense Explosion. II. The Atomic Explosion of 1945 ». #





Les cheminées

28 02 2012

« Il y a du feu dans l’âtre, mais le vent a embouché la cheminée et il souffle sa musique avec de la fumée, des cendres volantes et en aplatissant la flamme. »  Jean Giono.

Cette citation de Jean Giono dans Regain explicite à merveille l’interaction de l’air, de la fumée et du feu à l’intérieur d’une cheminée. Il est vrai que le spectacle d’un feu de cheminée peut nous fasciner pendant de longues heures en hiver. D’autant plus que celui ci se maintient plusieurs heures sans que l’on ait besoin de s’en soucier. Le renouvellement de l’air nécessaire à la combustion, la propagation de la chaleur à la pièce ainsi que l’évacuation des fumées se font naturellement. Mais quelles doivent être les caractéristiques d’une cheminée et de son conduit pour que ses fonctions soient si bien assurées ?

Afin de répondre à cette question, penchons nous sur le fonctionnement d’une cheminée. Celle-ci est constituée d’un foyer où a lieu la combustion (du bois, du gaz naturel, d’huile, de charbon, etc.) et d’un conduit qui achemine vers l’extérieur les gaz et les fumées résultants de cette opération.

L’air, au contact du feu, se réchauffe et devient moins dense que l’air froid extérieur. L’air chaud s’élève dans le conduit jusqu’à retrouver l’extérieur tout en emportant les gaz (diazote, dioxyde de carbone, vapeur d’eau, etc.) et les fumées. C’est le phénomène de convection thermique naturelle que l’on retrouve dans l’expérience suivante :

Sur cette vidéo l’air froid entre par la droite dans la boîte. On remarque, grâce à la présence de fumée blanche dans l’air, que celui descend dans la pièce. Au contact de la flamme de la bougie, l’air se réchauffe, sa densité diminue et il remonte dans la boîte.  De la même manière, l’air chauffé par le feu de bois va automatiquement remonté dans le conduit de cheminée.

Si la montée de l’air chaud est désirable pour le renouvellement de l’air du foyer et l’évacuation des fumées, il ne l’est pas pour le chauffage de la pièce. Dans le cas où le renouvellement de l’air dans l’âtre serait trop important, l’air chaud serait relâché vers l’extérieur avant même d’avoir eût un effet sur la température de la pièce.

On comprend que le bon fonctionnement d’une cheminée résulte d’un optimum entre une bonne aération et un bon transfert de chaleur à la pièce. On peut alors se demander comment les caractéristiques d’une cheminée vont influencer ces deux phénomènes. En quoi la hauteur du conduit est t-elle déterminante ? Sa section doit-elle être plutôt carrée ou circulaire ? Quel propriétés doivent posséder les matériaux qui le constitue ?

Commençons par discuter la hauteur du conduit. Celle ci est extrêmement variable d’une cheminée à l’autre. On peut par exemple remarquer que les cheminées industrielles sont très hautes alors que celles ménagères ne dépassent que rarement le toit des maisons.

Ceci s’explique par le fait que plus le conduit de la cheminée va être haut, plus le débit d’air sortant de la cheminée sera important (pour une même différence de température entre le foyer et l’extérieur).  En effet, la force motrice exercée sur une particule d’air dans la cheminée est la poussée d’Archimède, A = δρ g, résultant de la différence de densité  δρ entre l’air chaud et froid. Ainsi, plus le conduit de la cheminée est haut plus cette force s’appliquera longtemps et plus la colonne d’air sera entraînée rapidement vers l’extérieur.

Ainsi dans le cas d’une cheminée d’usine où l’unique objectif est de renouveler le plus rapidement possible l’air du foyer, la hauteur du conduit de cheminée sera choisit la plus grande possible. La seule limitation est alors celle de la fragilité de la structure construite, en particulier vis-à-vis de sa prise au vent.

Si les conduits de cheminée de nos maisons ne sont pas aussi haut que ceux des usines, c’est que nous les utilisons pour chauffer nos intérieurs. Ceux ci dépassent que de peu la hauteur du toit de nos maison afin que l’air chaud présent dans le conduit soit toujours en contact avec l’air de la maison(par l’intermédiaire d’un matériau réfractaire). L’augmentation de la hauteur de ce conduit au dessus du toit augmenterait le tirage de la cheminée mais mettrait en contact l’air chauffé avec l’air extérieur, ce qui serait inutile.

Source :
Wikipédia, Stack effect. #
YouTube, Vortex of doom. #




Application Shazam

5 02 2011

Shazam est une application i-phone surprenante. Elle permet d’identifier le titre et l’auteur d’un morceau inconnu. Pour ce faire il suffit d’enregistrer le morceau de musique pendant une quinzaine de secondes puis l’application se connecte via internet pour trouver les données relatives à cet échantillon. Le fonctionnement de cette application est d’autant plus extraordinaire qu’il permet la reconnaissance des morceaux de faible qualité audio, par exemple une chanson diffusée à la radio ou une musique écoutée dans un bar.

Il faut savoir que les plus grandes bases de musiques référent environs 10 millions de morceaux. En estimant la durée moyenne des morceaux à 3 minutes, cela représente un peu moins de soixante années d’écoute non stop. Malgré les performance des ordinateurs actuels, il semble peu probable que l’application compare directement les 15 secondes de musique enregistrés avec cette base de donnée. Comment fait t-elle alors pour déterminer l’identité du morceau écouté ?

En réalité l’application ne compare pas les signaux enregistrés et référencés dans le domaine temporel mais elle confrontent leurs spectres. A partir de l’enregistrement temporel d’un signal sonore il est aisé d’en déduire son spectrogramme, c’est à dire l’évolution de son spectre sonore au cours du temps. Un exemple de spectrogramme relatif à un échantillon est représenté ci dessous :

Un spectrogramme représente en ordonnée les fréquences et en abscisse le temps. La puissance sonore est codée par les couleur. La couleur rouge symbolise une forte puissance alors que la couleur bleue représente une faible intensité.

Shazam va utiliser ces représentations pour créer des empreintes du morceau enregistrée. Une empreinte est un point remarquable du diagramme temps-fréquence, comme par exemple une forte intensité sonore. Ces empreintes seront ensuite comparées à celles des morceaux de la base de donnée pour tenter de retrouver le titre inconnu.

La question est de savoir combien d’empreintes sont nécessaires pour faire correspondre le signal inconnu avec le signal réferencé et ce sans risque d’erreur. Afin d’y répondre il faut savoir que Shazam code les données relatives à une empreinte en 32 bits. Cela signifie que l’application numérise la valeur du maximum parmi 2^32 valeurs possibles, soit environ 4 milliards de valeurs. Il est intéressant de comparer ce nombre de valeurs possibles avec le nombre totale d’empreintes dans la base de donnée. Imaginons que la base de donnée de Shazam est réalisée 10 empreintes par secondes pour chacun de ses morceaux référencés . Celle ci contient environ de 18 milliards d’empreintes. En moyenne une valeur d’empreinte est donc contenue dans 5 morceaux (18 milliards sur 4). Ainsi en recherchant dans la base de données un morceau qui a deux empreintes identiques avec le morceau inconnu on peut affirmer que les deux musiques correspondent avec une chance de 1 sur 400 000 de se tromper. Deux empreintes de même valeur suffisent à assurer l’identification dans de bonnes conditions ! En pratique Shazam compare une centaine d’empreintes sur ses échantillons afin de limiter les risques d’erreur provenant d’une empreinte résultant du bruit ambiant.

Ce procédé est remarquable par le fait que l’on n’est plus obligé de stocker 60 ans de musique, soit 50 Teraoctets de données en format mp3, mais 18 milliard d’empreintes encodées en 32 bits, soit 72 Gigaoctets de données (soit 1000 fois moins). Cette réduction de la taille de la base de donnée permet aussi la réduction du temps de comparaison du morceau inconnu à celui référencé.  Ceci permet à l’application Shazam d’être fonctionnelle.





Cinéma 3D

17 01 2010

Si nous sommes capable de percevoir le monde en trois dimensions c’est que nous possédons deux yeux. Ces deux points de vue nous permettent d’apprécier les distances et les perspectives. Pour reconstituer l’effet de la 3 dimension au cinéma il faut capturer et montrer à chaque œil une image légèrement différente, qui correspondrait à celle vue dans la réalité. Pour cela il existe plusieurs méthodes :

  1. Les lunettes par division spectrale (le plus souvent bicolore) sont constituées de deux filtres qui sont chacun transparent dans un domaine complémentaire du spectre visible (par exemple un filtre rouge et un filtre bleu). Les deux pellicules sont projetées avec un spectre correspondant aux filtres utilisés sur les lunettes si bien que l’œil droit voit le film correspondant à la première pellicule et l’œil gauche celui correspondant à la seconde.
    Ce procédé donne d’excellents résultats pour les images en noir et blanc (avec des niveaux de gris), sous réserve que les couleurs utilisées soient des couleurs suffisamment vives. Par contre, l’utilisation de ces lunettes donne un aspect bizarre aux objets de la couleur d’un des filtres des lunettes : ils apparaissent clairs pour l’œil en face du filtre de leur couleur et sombres, voire noirs pour l’autre œil (Exemple : un ciel bleu ou une voiture rouge). Il est possible d’affiner cette technique en complexifiant le spectre destiné à chaque œil. En effet l’utilisation de filtre interférentiels permet de créer des spectres différents pour chaque œil mais comportant toutefois différentes longueurs d’onde du spectre visible.
  2. A l’aide de filtres polarisateurs il est possible de polariser la lumière émise par chaque projecteur. La lumière émise par les projecteurs est polarisées rectilignement dans des directions perpendiculaires entre elles. Des lunettes constituées de filtres polarisants croisés à 90° permettent alors que chaque œil reçoive l’image qui lui est destiné. Mais la polarisation linéaire rend cette technologie sensible à l’inclinaison des lunettes. Depuis peu on utilise donc des polariseurs circulaires qui corrige ce défaut. Notons que pour cette technologie, l’écran blanc doit céder sa place à un écran recouvert d’une fine couche d’argent pour ne pas modifier la polarisation de la lumière lorsqu’elle est diffusée.
  3. Par lunette active. Chaque verre des lunettes est un écran LCD qui s’éteint et s’allume en synchronisation avec les affichages d’image à l’écran. Quand l’image gauche s’affiche, l’écran de droite s’éteint pour que seul votre œil gauche la voit et inversement. La fréquence se cale sur celle de l’écran.