Une place au soleil

10 03 2013

La plupart des plantes poussent depuis le sol vers le soleil. Au cours de leurs croissances elles déploient leurs feuilles afin de capter l’énergie du soleil nécessaire à leur développement. Cependant de nombreux obstacles peuvent empêcher une plante de profiter pleinement des rayons du soleil. C’est par exemple le cas si les plantes environnantes sont trop imposantes ou si le vent fait plier les tiges. Dans ce contexte, toutes les ruses sont bonnes pour  s’assurer une place au soleil. L’équipe du professeur Hangarter à l’université de l’Indiana aux Etats-Unis s’est intéressée à la croissance des belles de jour. En réalisant des vidéos accélérées, ils ont mis en évidence les surprenants mouvements de ces plantes :

On observe sur ces vidéos que la tige la plus avancée de la belle de jour réalise un mouvement de nutation. Ce mouvement permet à la plante de sonder l’espace avoisinant à la recherche d’un support. Dès lors que la tige trouve un tuteur, le mouvement de balancement qu’elle effectue lui permet de s’y accrocher et de poursuivre sa croissance vers le haut.

Source :

Plants in motion. (#)

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Tesla-tronic

7 10 2012

La bobine de Tesla, du nom de son inventeur Nikola Tesla, est une machine électrique fonctionnant sous courant alternatif à haute fréquence et permettant d’atteindre de très hautes tensions. Comme ces tensions sont supérieures à la rigidité diélectrique de l’air, des arcs électriques vont fendre l’air et  jaillir dans toutes les directions tel un éclair.

Le schéma de principe d’une bobine de Tesla est représenté ci dessous.

L’idée de Nikola Tesla a été d’élever la tension d’entrée par deux moyens. D’abord cette tension est amplifiée par une série de transformateurs. Celle ci est multipliée par un facteur correspondant au rapport du nombre de spires de la bobine secondaire et primaire. Ensuite c’est le phénomène de surtension d’un circuit résonant qui accroît la tension à la sortie du circuit.

La mise sous tension du circuit précédent commence par charger le condensateur. Lorsque la différence de potentiel aux bornes de celui-ci est suffisante, il se décharge au moyen d’un arc électrique traversant l’éclateur dans la maille de la bobine primaire. Cette décharge se produisant dans un circuit résonant, elle oscille à haute fréquence. Ainsi la bobine primaire est parcourue par un courant alternatif à haute fréquence et haute intensité.

Or une bobine parcourue par un courant produit un champ électromagnétique dans le milieu qui l’entoure. Ce champ est lui aussi intense et varie à haute fréquence. La variation de ce champ au travers de la bobine secondaire va induire à ses bornes une différence de potentiel proportionnelle au rapport des nombres de spires des bobines secondaires et primaires.

Le circuit secondaire est aussi résonant car l’électrode torique constitue un condensateur. Si sa résonance est accordée avec celle du circuit primaire, la tension de la maille primaire va être amplifiée dans la maille secondaire par le phénomène de surtension. Dès lors la tension aux bornes de la bobine secondaire peut atteindre plusieurs dizaines de milliers de volts. C’est cette tension qui produit les arcs électriques au niveau de l’électrode torique.

Le champ disruptif de l’air varie fortement avec l’humidité mais il est couramment admis que celui ci est de 30 000 V par cm. Cela signifie qu’une différence de potentiel de 30 000 V va produire un arc de 1 cm de longueur. A l’inverse, les arcs électriques longs de plusieurs mètres, comme on peut voir sur la photo ci dessus, nécessitent des tensions de plusieurs millions de volts !

Eric Goodchild and Steven Caton, deux étudiants en école d’ingénieur, se sont lancés dans la construction de deux bobines de Tesla. La vidéo ci dessous montre leur résultat :

Comme on peut l’entendre, ces étudiants ont ajouté la possibilité de modifier légèrement la fréquence de résonance de la bobine en fonction du temps. Ainsi la fréquence de génération des arcs électriques est modulable ce qui permet de produire des sons de hauteurs différentes. Voilà une chaîne hifi pour le moins décoiffante.

Source :

Wikipédia – Bobine de Tesla. (#)

Site de Steven Caton. (#)

Site de Eric Goodchild. (#)





Les fleurs du mal

6 10 2012

Un ancien soldat de la Navy Américaine. Andrew Tuohy, s’est livré à un travail artistique étonnant. Celui ci a remarqué que le tir de munition sous l’eau déformait les balles pour leur donner une apparence de fleur.

Il utilise ensuite ses fleurs métalliques pour construire des bouquets ou pour créer des séries de bijoux en y intégrant des pierres semis précieuses.

Cependant le plus surprenant dans ce travail est la technique de tir subaquatique. Comme on peut l’observer sur le cliché ci dessous, le tir d’une balle dans l’eau crée une superbe traînée blanche. Celle ci correspond à l’apparition de bulles de cavitation. Pour laisser passer la balle, l’eau doit la contourner à grande vitesse. Cette zone de grande vitesse correspond à une zone de faible pression qui peut même devenir inférieure à la pression de vapeur saturante. Dès lors des bulles de vapeur se forment dans le sillage de l’objet se déplaçant sous l’eau.

On note sur ce cliché l’aspect spiralé du sillage de la balle. Ceci provient de sa rotation autour de son axe. Ensuite, on remarque que le diamètre de la traînée blanche se réduit lorsque la balle avance. Ceci est du au fait que la balle est fortement ralentie par la résistance de l’eau. C’est d’ailleurs cette friction avec le fluide qui déforme les munitions en fleurs. Une autre preuve notoire de la forte résistance de l’eau est visible sur la vidéo suivante. Alors qu’une balle parcours plusieurs centaines de mètres dans l’air, celle ci s’arrête après moins d’un mètre parcouru dans l’eau.

Sources :

Le blog de Andrew Tuohy. (#)

Hufington Post – Firearm Expert Andrew Tuohy Transforms Underwater Gun Shots Into Blooming Flowers. (#)





Pendule de Newton

2 09 2012


Le pendule de Newton est sans conteste l’expérience la plus hypnotisante de l’histoire de la physique. Cet objet est constitué d’une série de pendule placé côte à côte. Les billes peuvent ainsi se balancer dans un même plan et s’entrechoquer. Ce dispositif permet de mettre en évidence la conservation de l’énergie cinétique et de l’impulsion lors d’une collision entre sphères. Lorsque une bille est relâchée d’une certaine hauteur, elles percute celles du milieu et finit par mettre en mouvement la bille à l’autre extrémité de la chaîne. Cette dernière s’élève jusqu’à la même hauteur et le processus recommence de nombreuses fois. Cette propriété est visible sur la vidéo suivante:

L’expérience devient encore plus surprenante lorsqu’on relâche simultanément deux billes. Dans ce cas elles vont mettre en mouvement les deux billes de l’extrémité opposée. Et encore plus fort cela marche encore avec un nombre de bille supérieur à la moitié du nombre de bille total. C’est-à-dire que pour un pendule de Newton constitué de cinq billes, on peut en relâcher trois et le même phénomène se produira.

A la vue de ces observations plusieurs questions se posent. D’abord comment comprendre la symétrie du phénomène ? Pourquoi ne pas imaginer que lorsqu’on relâche une bille, deux ne puissent pas rebondir à l’autre extrémité avec des vitesses plus faibles ? Ensuite combien de temps durent ces rebonds et qu’est ce qui limitent leur nombre ?

Pour répondre à ces questions commençons par étudier ce qui se passe lors d’une collision entre deux billes. On pourra ensuite comprendre une collision entre un nombre de sphère plus important en la décomposant en série de collision par paire. Les lois de la mécanique nous disent que lors d’un choc d’une bille en mouvement avec une bille fixe de même masse, celle en mouvement s’arrête et transfert sa vitesse à celle initialement immobile. Cette description est vraie lorsque les billes s’impactent en leur centre et qu’aucune énergie n’est dissipée au cours du processus.

Ce résultat va être mis à contribution pour comprendre les observations faites sur le pendule de Newton. Par exemple, lorsque deux boules séparées par une distance très faible sont relâchées et frappent trois billes fixes, l’action se déroule comme suit: La première bille à impacter transfère sa vitesse à la troisième et s’arrête. La troisième bille transfère ensuite la vitesse à la quatrième, et la quatrième à la cinquième qui n’a d’autre choix que de s’élancer puisque aucune autre bille ne la suit. Juste derrière cette séquence, la première bille transfère sa vitesse à la seconde balle qui vient d’être arrêtée, et la séquence se répète immédiatement jusqu’à l’éjection de la quatrième bille juste derrière la cinquième.

Si les deux boules initiales avaient été soudés, le résultat serait le même que celui d’une bille ayant un poids double. La dernière boule s’éloignerait beaucoup plus vite. Ainsi la séparation initiale est importante dans l’explication fournit précédemment.

D’ailleurs le choix de l’acier pour les billes n’est pas anodin. Ce matériau très rigide permet aux billes de se comprimer que faiblement lors d’une collision et réduit le temps de contact entre les deux billes. Ainsi les billes en acier font plus facilement fonctionner le pendule de Newton dans le cas de collisions binaires que nous avons décrit précédemment. Si l’on remplaçait les billes en acier par des billes en caoutchouc, l’espace entre les balles devrait être plus important (de l’ordre de 0,5 mm) pour que l’expérience marche convenablement.

C’est ce problème de collisions multiples auxquels ont été confrontés les Mythbusters. Leur tentative de construire un pendule de Newton géant avec des engins de démolition a échoué comme le montre la vidéo suivante :

Cet échec est probablement du à l’utilisation de boulet trop peu rigide et à leurs espacements trop faibles. Les collisions ne sont pas binaires dans ce cas et le lâcher d’un boulet entraîne un déplacement complexe de l’ensemble des masses.

Le principe du pendule de Newton a été repris par l’étudiant en design Yasutoki Kariya. Celui ci a construit une version du pendule de Newton à l’aide d’ampoules électriques.

Dans ce pendule le mouvement des ampoules aux extrémités est assuré par un système mécanique car ces dernières sont trop fragiles pour subir des chocs. Mais la circulation de la lumière au travers des lampes explicite parfaitement le transfert d’énergie qui se produit dans un véritable pendule de Newton.

Source :

Wikipédia – Pendule de Newton. #

Yasutoki Kariya – Asobi. #





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. #





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. #





Les tasses musicales

29 02 2012

L’effet Allasonique se produit avec une tasse dans laquelle on dissout une poudre soluble (café ou chocolat en poudre par exemple). Lorsque l’on frappe le fond de cette tasse avec une petite cuillère, il se produit un son. Ce qui est surprenant, c’est que en frappant le fond de la tasse de manière régulière, le son émis semble varier en fréquence. Ce phénomène est visible sur la vidéo suivante :

On entend bien que le son émis monte dans les aigüe au cours du temps. Comment interpréter cette modification de la hauteur du son émis alors que la fréquence du forçage imposé par la cuillère reste identique ?

Commençons par se pencher sur l’origine du son entendu. Le choc de la cuillère sur la tasse fait vibrer la tasse et donc le liquide. Il s’installe alors une onde stationnaire dans le liquide entre le fond et sa surface. La plus grande longueur d’onde possible pour cette onde est égale à quatre fois la hauteur h de liquide dans la tasse (un point d’amplitude de vibration nulle au fond de la tasse et un point d’amplitude maximale à la surface du liquide). La fréquence correspondant à cette onde stationnaire est celle du son produit. Elle est donnée par la relation suivante :

où v est la vitesse du son dans le liquide. Il nous faut maintenant comprendre pourquoi cette fréquence est susceptible de varier au cours de l’expérience.

L’explication réside dans le fait que la vitesse du son dans un liquide dépend fortement de la présence de bulles d’air. Et il se trouve que la dissolution d’une poudre dans un liquide chaud favorise justement la création de nombreuses petites bulles d’air. Immédiatement après la dissolution de la poudre, la densité en bulle d’air est grande et la propagation du son est ralentit. La fréquence du son est donc relativement faible ce qui correspond à un son grave d’après la relation précédente. Rapidement les bulles s’échappent du liquide et la vitesse du son dans le milieu s’accroît. Ainsi la fréquence du signal produit augmente et le son entendu est plus aigu.

Source :

Wikipédia, Hot chocolate effect. #

Instant coffee effect. #