Les flocons de neige

26 12 2012

Flocon styliséCette représentation stylisée nous évoque immédiatement un flocon de neige. Mais comment savons nous au juste que les flocons possèdent cette forme ?

L’observation d’un flocon de neige est rendue difficile de part sa petite taille  et sa fonte rapide au contact d’une surface chaude. A l’oeil nu il faut être extrêmement attentif afin de distinguer la géométrie d’un flocon de neige. C’est l’emploi du microscope qui va nous permettre de découvrir réellement la forme d’un flocon de neige.

Le premier scientifique a réaliser cette observation est l’anglais Robert Hooke. Celui-ci a passé plusieurs années à ajuster des lentilles optiques afin de mettre au point un microscope performant. En 1665 il publie Micrographia où il résume ses observations du monde microscopique tel que les cellules de plantes, les yeux de mouche et la forme sexagénaire des flocons de neige.

Il a ensuite fallu attendre 1885 pour que Wilson A. Bentley prenne les premiers clichés de flocon de neige. Ce fermier dans le Vermont remarqua immédiatement l’immense diversité des flocons de neige. Fasciné par cette variété il ne cessa de les photographier pour obtenir à la fin de sa vie plus de 5000 clichés.

First Snowflake Photos

Wilson A. Bentley Snowflakes

Sur ces clichés on remarque d’abord que le flocon de neige n’est pas un objet sphérique. Il présente une structure qui s’apparent à une fine dentelle. Malgré l’incroyable diversité de forme, il existe un dénominateur commun à tous ces flocons : la présence de six branches.

Comment pouvons nous comprendre ces observations ?

Si le flocon n’est pas sphérique c’est qu’il ne provient pas directement de la solidification d’une unique goutte d’eau. En réalité il se construit par conglomération de particules de glace lors de sa chute dans l’atmosphère terrestre.

A l’origine d’un flocon se trouve une minuscule goutte d’eau d’un rayon d’environ 10 µm. Bien que l’eau se transforme en glace à 0°C, ces gouttelettes d’eau congèlent à des températures bien inférieures à 0°C. En effet, il faut attendre que par hasard les molécules d’eau de cette goutte se retrouvent arrangées comme sur un réseau de glace pour que la transition liquide-solide se fasse. Eventuellement de fines particules solides facilitent ce processus.

Une fois ce coeur de glace formé, il va rencontrer les molécules d’eau sous forme vapeur en suspension dans l’atmosphère et les fixer à sa surface. Ainsi le flocon de neige croît jusqu’à atteindre une taille millimétrique. Et si les flocons de neige possèdent toujours six branches c’est que l’eau sous forme solide s’arrange selon une structure cristalline hexagonale comme on peut le voir sur le schéma suivant.

structure hexagonale glace

La première gouttelette d’eau va donc cristalliser sous la forme d’un hexagone et présenter six faces pour la croissance des branches.

Ensuite la croissance de ces branches dépend de l’humidité et de la température des régions de l’atmosphère traversées. Cela explique pourquoi chaque flocon de neige est unique : sa géométrie dépend de son vécu. En ceci un flocon de neige est un véritable messager du ciel qui nous raconte son histoire.

Flocon neige

Sources :

Snowcrystal.com. (#)

Robert in space – Les Flocons. (#)

Wikipédia – Snowflake. (#)





Prisma 1666

28 07 2012

En 1666, Sir Isaac Newton compris pour la première fois l’expérience de dispersion de la lumière blanche à l’aide d’un prisme. Celui ci se demanda si les couleurs de l’arc-en-ciel était contenues dans la lumière ou dans le prisme.  Il filtre la lumière rouge issue d’une première dispersion et la dirige vers un second prisme. Etant donné que le second prisme ne disperse pas à nouveau la lumière rouge, Newton comprend que les couleurs sont contenues dans la lumière.

Inspiré par cette expérience, l’artiste Wonwei créer l’installation Prisme 1666. Celle ci consiste en 15 prismes répartis aléatoirement sur une surface blanche. Des dessins multicolores sont réfractés et dispersés par les prismes sur cette surface pour créer une expérience visuelle attrayante. Une interface permet de modifier à désir la couleur, l’angle ou l’intensité de la lumière projetée ce qui permet réellement de se mettre dans la peau de Isaac Newton lors de son expérience.

Source : Prisme 1666. #





Les quatre fers en l’air

10 04 2012

Eadweard James Muybridge est un photographe anglais de la seconde moitié du XIX ème siècle qui travailla longuement aux Etats Unis. Entre 1878 et 1879 c’est l’un des premiers à s’être intéressé à la locomotion animale.

L’origine de cet intérêt a été initié par le gouverneur de Californie, Leland Standford, qui l’emploie en 1872 comme photographe. Ce dernier est passionné de courses à cheval et il aimerait répondre à la question en vogue à cette époque là : Est ce qu’un cheval au trot ou au galop a ses quatre pattes qui décollent du sol au même instant ? Standford avait en effet parié sur l’affirmative auprès des ses amis, suivant le courant de pensée de l’époque. Ce tableau retranscrit la pensée couramment adopté concernant la course hippique.

Etant donné que l’oeil humain n’est pas capable de résoudre temporellement la course d’un cheval, Muybridge utilisa la photographie pour répondre à cette question. En 1878 il parvint à capturer une photo d’un cheval au trot avec les quatre pattes suspendues en l’air,  donnant raison à Standford. Fort de ce succès les deux hommes tenteront de décrire plus en détail la course d’un cheval.

Dans cet objectif, Muybridge installe une série d’appareil photo également espacés au bord d’un champ de course. Le déclenchement successif de ces appareils va lui permettre de réaliser la toute première séquence photo d’un cheval au galop. Cette série est visible ci dessous :

Cette série d’image peut être animée comme suit :

On remarque bien sur cette animation qu’il arrive que le cheval décolle les quatre pieds au même instant. Cependant, ses pattes ne sont pas étendues à l’avant et à l’arrière de l’animal, comme le pensait les gens à l’époque, mais rétractées sous son corps.

Muybridge ne bénéficia pas immédiatement d’une reconnaissance pour ces travaux. En effet, Standford demanda à un de ses amis Dr. J. B. D. Stillman d’écrire un traité sur le mouvement du cheval utilisant les clichés de Muybridge mais sans citer ce dernier. Ce n’est que plus tard en Angleterre que le photographe pourra travailler à son compte et être reconnu des grandes institutions comme la Royal Institution.

Source : Wikipédia – Eadweard James Muybridge. #





Professor Wonderful

10 03 2012

Julius Sumner Miller est un physicien américain qui a grandement contribué à diffuser les sciences physiques à la télévision. Il débuta sur le petit écran américain dans l’émission « Why is it so ? » en 1959 avant de devenir « Professor Wonderful » pour le Mickey Mouse Club entre 1962 et 1964. Après un passage sur la télé australienne, il revient aux Etats Unis avec le programme « Demonstrations in Physics » où il entamait chaque émission par la phrase : « How do you do, ladies and gentlemen, and boys and girls. I am Julius Sumner Miller, and physics is my business. » . Un exemple d’une démonstration de Julius Sumner Miller est visible sur la vidéo suivante :

De part l’aspect visuel de ses expériences et son enthousiasme incroyable, Julius Sumner Miller s’est imposé comme l’ambassadeur de la physique expérimentale dans les années 60.

Lors d’une intervention pour la télévision australienne, il tenta d’improviser une expérience consistant à percer une pomme de terre à l’aide d’une paille. La paille n’est pas assez solide pour transpercer la pomme de terre à moins que l’on pince l’une de ces extrémités. Ce jour là  Julius Sumner Miller ne parvient pas à réussir son expérience et il déclara « Australian straws ain’t worth a damn » (à traduire par : « Ces pailles australienne sont merdiques »).  Ce commentaire lui vaudra de retrouver le lendemain un million de pailles déversées dans son laboratoire. Il dira plus tard avoir fait une erreur. Il aurait en effet préféré dire : « Les pommes de Terre australienne ne valent rien » pour pouvoir ainsi  » accaparé le marché de la pomme de terre ! ».

Source : Wikipédia. #





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 ». #





Berenice Abbott

3 03 2012

Berenice Abbott s’est fait connaître pour avoir photographié de 1929 à 1939 les transformations incessantes de la ville de New York. Suite à ce succès elle s’intéresse à la vulgarisation des sciences aux Etats Unis. Elle est convaincue que la photographie doit participer à la diffusion de la culture scientifique. Elle mène se travail seul et sans financement durant de longues années. Ce n’est qu’en 1957 avec le lancement du satellite Spoutnik par l’URSS que les Etats Unis investissent massivement dans la formation scientifique. A cette époque, Berenice Arbbott obtient de collaborer avec le  MIT (Massachusetts Institute of Technology) et réalise ses superbes clichés :

Réfraction des rayons lumineux par un prisme en fonction de l’angle d’incidence initial.

Interférence des ondes à la surface de l’eau émises en deux points.

Rebonds multiples d’une balle de golf.

Source :

Wikipédia. #

Commerce Graphics. #





La caléfaction

30 10 2011

En 1756, Johann Gottlob Leidenfrost s’intéresse au temps de vie d’une goutte d’eau posée sur une plaque chaude. Ce temps de vie décroît avec la température jusqu’à 100°C, la température de vaporisation de l’eau. A partir de cette température, le phénomène d’ébullition rend le temps de vie de la goutte extrêmement faible (inférieur à la seconde). A partir de 200°C Leidenfrost fait une observation surprenante : la longévité de la goutte augmente avec la température jusqu’à atteindre plusieurs minutes. Ces observations se retrouvent sur le graphique suivant qui représente le temps de vie de la goutte d’eau en secondes en fonction de la température de la plaque.

Afin de comprendre ce phénomène, Leidenfrost réalise l’expérience décrite par le schéma suivant : il pose une goutte teintée en noire sur une plaque très chaude et il place une bougie à l’arrière de ce système. En regardant la goutte de profil il parvient à voir la lumière de la bougie entre la goutte noire et la plaque (cf photo suivante). Il comprend alors que à partir d’environ 200°C, le goutte ne touche plus la plaque mais repose sur un fin film de vapeur. En effet l’évaporation de la goutte devient tellement intense qu’elle permet de supporter le poids de la goutte. C’est ce phénomène que l’on appelle calféaction ou effet Leindenfrost.

La vapeur conduit mal la chaleur, ainsi le film de vapeur isole thermiquement la goutte de la plaque et explique sa longévité.

Une autre caractéristique de l’effet Leidenfrost c’est l’extrême mobilité de ces gouttes sur leur support. Etant donné qu’elles lévitent sur un film de vapeur, elles sont soumises à des frottements très faibles. Cet effet s’observe en posant quelques gouttes d’eau dans une pôele très chaude, les gouttes filent dans la pôele sans que l’on puissent les arrêter. D’ailleurs ce phénomène est utilisé par certains cuisiniers pour savoir si la poêle est suffisamment chaude pour démarrer la cuisson des crêpes ou des pancakes.

Le mouvement des gouttes en caléfaction est visible au ralenti sur la vidéo suivante :

Sources : Wikipédia