KrISS feed 8.7 - A simple and smart (or stupid) feed reader. By Tontof
  • Wednesday 04 July 2018 - 15:45

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    On voit de plus en plus apparaître des ventilateurs sans pale. Ils sont affichés comme plus confortables, plus silencieux et plus sûrs. Une chose est certaine, c’est qu’ils se présentent comme un ventilateur normal mais sans l’hélice, et qui pourtant fonctionne parfaitement. Voilà qui est… intrigant !

    Leur allure « extra-terrestre » m’a laissé songeur la première fois que j’en vu un, c’est pourquoi j’ai décidé de chercher comment ça marchait. Pour tout dire, j’ai été un peu déçu, mais en cherchant mieux il y a tout de même des choses intéressantes à dire dessus… mais pas là où l’on croit.

    Un ventilateur réellement sans pale ?

    Premièrement, un ventilateur sans pale ne s’appelle comme ça que par l’absence de l’hélice principale. Si on le démonte, on s’aperçoit qu’il contient bien une toute petite hélice à pales dans le socle qui brasse de l’air. Cet air est ensuite envoyé vers le haut, dans l’espèce de cerceau, d’où il sort par une fine ouverture sur tout le contour :

    schéma de fonctionnement d’un ventilateur sans pale
    Schéma de fonctionnement d’un ventilateur sans pale Dyson® (source : Éduscol)

    Voilà, c’est tout pour la partie mécanique et le fonctionnement de base. Décevant non ?

    Heureusement il reste la partie aérodynamique et acoustique !

    L’amplification du flux d’air par effet Coandă

    Le principe de base est relativement ennuyeux : il existe bien une hélice à pales dans l’appareil, c’est juste qu’on ne la voit pas. Mais ça ne s’arrête pas ici : cette hélice est minuscule et n’explique pas du tout le flux d’air que l’on reçoit quand on se met devant un ventilateur sans pale. Il y a une astuce !

    En fait, une fois que l’air sort du cerceau par la fente sur tout le contour, il entraîne l’air alentour. La première raison à ça est simplement l’entraînement par friction de l’air : l’air ventilé est déjà multiplié par ça.

    Une seconde raison vient du profil du « cerceau » : ce dernier est évasé.

    L’air sortant de l’ouverture a tendance, par effet Coandă, a rester collé aux bords du cerceau, et donc d’aller en s’évasant lui aussi. Quand tout l’air part en s’évasant, les molécules d’air s’écartent les unes des autres, autrement dit, la pression diminue et forme une dépression à l’avant du ventilateur, et cela aspire encore plus d’air !

    On assiste à un effet multiplicateur : il suffit d’un petit ventilateur dans le socle, brassant un petit peu d’air pour obtenir un très gros flux d’air en sortie !

    Ce phénomène est puissant, et certains envisagent de créer des avions ou des drônes utilisant cet effet.

    De plus, si un ventilateur classique hache de l’air et vous envoie des poches d’air, les ventilateurs sans pales produisent un flux beaucoup plus régulier. L’air parcourt suffisamment de distance à l’intérieur du socle et du cerceau pour que les turbulences créées par le petit ventilateur soient lissés et le flux d’air pratiquement laminaire.

    Une astuce pour la réduction du bruit !

    Enfin, une question : comment ces appareils arrivent à être si silencieux ?
    C’est ce mystère qui m’a fait écrire cet article, en fait, car il m’a fait découvrir un truc qui je ne connaissais pas. La réponse : un ocarina. Vous allez comprendre.

    Si vous avez déjà soufflé sur le dessus d’une bouteille, vous savez que cela produit un son. On peut faire varier ce son en faisant varier le niveau d’eau dans la bouteille.
    Ce qui se passe est qu’un petit peu d’air entre dans la bouteille. Une légère surpression se produit, et l’air est repoussé vers la sortie. Par inertie, un peu trop d’air sort, et la pression dans la bouteille baisse, ce qui va attirer une nouvelle quantité d’air dans la bouteille et ainsi de suite. Ceci se produit des centaines de fois chaque seconde et l’alternance de surpressions-dépressions produit le son. Ce principe fait fonctionner une flûte ou… un ocarina !

    L’ocarina constituent ce que l’on appelle un résonateur de Helmholtz : c’est le volume et la géométrie de la cavité résonante qui détermine la fréquence du son émis.

    Inversement, si une vibration d’air — un son — est émise près d’un résonateur de Helmholtz et si cette vibration a une fréquence identique à celle du résonateur, alors le son émis par le résonateur et le son initial s’annulent !

    Ce principe est bien connu et très utilisé dans les domaines de l’acoustique et de la réduction du bruit : pots d’échappements de voitures, revêtement des salles de concert, intérieur des réacteurs d’avion… Dans les moteurs à explosion, le principe du résonateur de Helmholtz est également utilisé pour contrôler les flux d’admission du mélange air-essence : ici on cherche à maîtriser et à optimiser l’arrivé du mélange air-essence dans la chambre de combustion et gagner en performances.

    Le même système ici permet à ces ventilateur d’être si silencieux : la forme étudiée de la cavité dans le socle permet d’annuler les sons du moteur électrique.

    Ressources

    image d’en-tête issue de l’anime Kore wa Zombie desu ka?

  • Tuesday 24 July 2018 - 19:50

    un mirage sur une route chaude
    Tout le monde a déjà vu ça, quand on regarde sur une longue route droite par un temps où il fait très chaud (plus de 30°C), on croit apercevoir une flaque d’eau, comme sur la photo ci-dessus.

    Le truc étonnant avec cet effet, est que si on s’approche de la flaque d’eau, elle disparaît et la route est totalement sèche. Ceci n’est pas une illusion inventée par le cerveau ni un effet paranormal. Il s’agit d’un phénomène physique bien connu : un mirage.
    Dans le cas présent, le mirage est en bas : on parle alors d’un mirage inférieur. Si le mirage est en haut, dans le ciel, on parle d’un mirage supérieur.

    L’existence d’un mirage s’explique relativement simplement : on voit des choses là où elles ne sont pas. Ceci vient, tout simplement, du fait que les rayons lumineux sont courbés, réfléchis, ou en tout cas déviés.

    C’est la même chose qu’avec un miroir : quand on se regarde dans une glace, on voit notre visage. Pourtant, notre visage n’est pas dans le miroir, il est devant. C’est juste son image, son reflet, que l’on voit. Un miroir dévie la lumière, et on voit donc des choses sur le miroir qui ne sont pas physiquement sur le miroir.

    Le mirage sur les routes, c’est un peu pareil, sauf que la route n’est pas recouverte de miroirs. En revanche, la route est chaude : très chaude. La surface du bitume peut monter à 70-80 °C ! Naturellement, l’air présent juste au dessus, chauffe également beaucoup. Plus on monte, plus la température chute, pour se retrouver à la température ambiante à hauteur humaine. On parle alors d’un fort gradient de température (variation importante sur une faible distance).

    Ce gradient de température induit tout aussi brutalement un gradient dans l’indice de réfraction optique de l’air : l’indice de réfraction de l’air — très chaud — proche de la route est bien plus faible que celui de l’air « normal » (l'indice lui-même traduit tout simplement le ralentissement subit par la lumière dans un milieu : or la lumière ralentit moins dans l'air chaud (indice faible) que dans l'air froid, où elle est davantage ralentie (indice plus élevé) ; ce ralentissement est comparé par rapport à la vitesse de la lumière dans le vide, dont l'indice est exactement 1).

    Or, quand la lumière passe d’un milieu d’indice A à un milieu d’indice B, alors les rayons sont déviés (ci-dessous à gauche). Sur la route, l’indice de réfraction de l’air change de façon progressive : en conséquence, la lumière est déviée graduellement, non pas avec un angle, donc, mais avec une courbure lisse et continue (ci-dessous à droite) :

    refraction de la lumiere
    Maintenant, il faut comprendre que c’est la lumière qui transporte l’image que l’on perçoit avec nos yeux.

    Si la route est froide, la lumière est absorbée par la route puis réémise en fonction de la couleur de la route (du gris, du blanc pour les bandes blanches, etc.) : la lumière que l’on voit provient donc directement de la route : on voit donc la route (ci-dessous à gauche).

    Si les rayons sont déviés, ils ne sont jamais absorbés par le goudron. L’image qu’ils véhiculent est donc celle d’où les rayons viennent : le ciel (ci dessous à droite) :

    pourquoi on voit le ciel
    Ce que l’on voit ce sont les rayons de lumière émis par les objets. Et les positions que l’on voit sont les endroits d’où semble provenir la lumière, pas d’où elle est émise.

    Maintenant une question se pose : pourquoi voit-on seulement le mirage au loin, et pas quand on s’en approche ?

    En fait, sur mon dessin, la courbure est très forte et le rayon de courbure assez faible. Dans la réalité, le rayon de courbure est bien plus grand : il faut bien 50 mètres pour que la lumière se courbe pour devenir horizontale, et de nouveau 50 mètres pour revenir à hauteur des yeux. On voit rarement ce genre de mirage à ses pieds, mais plutôt quelques dizaines ou une centaine de mètres vers l’avant.

    Si l’on regarde à ses pieds, on verra juste la route : la lumière arrive avec un angle trop fort pour qu’il soit dévié et il finit par être absorbé puis réémis avec l’image de la route. Seuls les rayons au loin ont assez de chemin pour se courber doucement sans être absorbés.

    Pour conclure, si l’effet ressemble à un effet de « flaque d’eau », c’est simplement que l’eau sur la route réfléchit aussi la lumière. Dans les deux cas, on observe donc le ciel directement sur la route. Sauf que dans le cas du mirage la lumière est courbée, et dans le cas de l’eau elle est réfléchie. Dans les deux cas, on voit bien le ciel.

    Enfin, sachez que le gradient de température de l’air provoque non seulement une distorsion de la trajectoire de la lumière… mais aussi du son !

    Il est ainsi possible d’entendre le bruit d’une explosion à des milliers de kilomètres que l’on n’entend absolument pas à seulement 100 km ! Dans ce cas, le son monte, passe au dessus de vous, puis redescend 1 000 km plus loin, toujours à cause des variations de température (et de densité) de l’air.

    Ce phénomène porte le nom de mirage acoustique.

    (Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de mettre à jour et de le déplacer ici)

    image d’en-tête de Michael

  • Friday 03 August 2018 - 00:23

    une souris optique
    Les anciennes souris fonctionnaient avec une boule en caoutchouc. En déplaçant la souris, la boule roulait sur la table et entraînait des roues reliées à deux capteurs — un pour le X, l’autre pour le Y – qui transcrivaient ensuite ce mouvement en coordonnées transmises à l’ordinateur.

    Depuis, ils existe des souris « optiques », qui utilisent une LED ou un laser pour détecter le mouvement. La totalité des souris vendues de nos jours sont optiques : et pour cause, il n’y a pas de partie mécanique qui s’encrasse au fil du temps et qui demande des nettoyages et elles fonctionnent sur toutes les surfaces opaques, pas seulement sur un tapis de souris spécifique.

    Par contre comment elles marchent ? Comment la lumière permet de détecter un mouvement ?

    La réalité du fonctionnement est plutôt simple, et elle réside d’avantage dans un capteur optique vidéo que dans la source lumineuse (LED ou laser), qui n’est là que pour éclairer.

    Le capteur en question est une sorte d’appareil photo à haute cadence (un millier de captures par seconde) mais à petite définition : très peu de pixels capturés. En prenant des photos successives, et avec un petit programme de reconnaissance de formes, il est possible de détecter un mouvement.

    Voici par exemple quatre images prises successivement :

    captures d’un photodétecteur d’une souris optique
    Si l’on parvient à détecter des formes se répétant dans les différentes photos, on peut en déduire un déplacement de souris sur la surface où elle repose :

    déplacement de la souris
    La souris optique n’est autre qu’une caméra à haute cadence avec reconnaissance de formes. Vu qu’il n’est pas question ici de filmer en haute définition mais seulement de reconnaître des textures d’une image à l’autre, une toute petite résolution suffit (on parle d’un capture de 8x8 ou 16x16 pixels, donc tout juste 256 pixels), du moment qu’elle est à très haute cadence et très contrastée.

    La LED ? Elle sert simplement à éclairer la surface filmée par le détecteur d’une lumière monochromatique, forte et stable. De cette façon, l’image capturé par le détecteur n’est pas parasité par la lumière ambiante.

    Au début de la technologie des souris optiques, on utilisait des LED rouges : en effet, elles étaient bon marché et très communes. Désormais, il n’est pas rare de trouver des souris laser : c’est une question de précision, la lumière laser est cohérente, unidirectionnelle et de source ponctuelle. Ceci permet au capteur d’être plus précis et à la souris de pouvoir être utilisée sur davantage de surfaces différentes, y compris si elles sont transparentes : aucune surface n’est totalement lisse et ce sont alors les aspérités même les plus fines qui sont détectées et qui permettent de détecter le mouvement de la souris. De plus, les souris laser fonctionnant avec des laser infrarouge moins gourmandes en énergie, leur autonomie peut dépasser une année entière avec deux simples piles AA.

    Pour finir sur la souris optique, une fois que le capteur et son programme de reconnaissance de formes a détecté un mouvement, il envoie l’information à une unité de calcul qui va éliminer les parasites (petites vibrations inutiles dans l’image), puis encoder l’information pour l’envoyer à l’ordinateur sous une forme « déplacement de 3 cm en X et de 1 cm en Y ».

    image d’en-tête de Chris Simmons

  • Thursday 16 August 2018 - 22:06

    champ magnétique sur du papier
    Vous avez déjà vu un de ces socles magnétiques que l’on peut activer/désactiver avec un bouton sur le côté :

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    Exemple d’un aimant manuel (source)

    Ils sont magnétiques, et donc se collent fortement sur un support en acier. Pour le décoller, l’aimant étant trop puissant pour le retirer comme ça, il faut tourner un bouton qui va alors annuler le champ magnétique et décoller le socle.

    Vous savez comment comment ils fonctionnent ? Y compris ceux où le bouton ne se tourne que d’un quart de tour ?
    En effet, il existe plusieurs mécanismes, donc ceux sur lesquels on tourne le bouton d’un demi-tour et ceux où il faut tourner un quart de tour. Vous allez voir, c’est très simple mais pas moins ingénieux !

    Les aimants « demi-tour »

    Pour le demi-tour, on comprend aisément : le socle comprend deux aimants, dont un sur le bouton. Quand on tourne le bouton en position « off », les deux aimants sont en position attractive : le flux magnétique est alors intégralement compris entre les deux aimants, et le socle est juste un bloc d’acier non-magnétique.

    En position « on », les deux aimants sont en opposition : les lignes de champ magnétique s’additionnent et sont conduits dans les deux pattes en acier du socle : un pour le pôle nord et un pour le pôle sud : le socle devient magnétique et il peut se coller sur une surface en acier :

    l’aimant qui s’active d’un demi-tour

    Les aimants « quart de tour »

    Pour ceux où il faut faire seulement un quart de tour, le principe est différent. Pour commencer, il n’y a qu’un seul aimant.

    Ensuite, le socle est bimétallique : deux plaques en acier, portant les pattes du socle, et une en aluminium au centre. En position « off », l’aimant est orienté dans le sens des pattes : les deux pattes sont donc soumises à un même flux magnétique : les pattes étant magnétisées de façon identique, le socle ne peut pas se coller où que ce soit.

    En position « on », l’orientation de l’aimant est telle que chaque pôle de l’aimant est en contact avec une plaque d’acier. Chaque patte du socle est donc un pôle magnétique et il peut se coller sur un bloc d’acier :

    l’aimant qui s’active d’un quart de tour

    Ces socles là sont les plus simples à activer ou désactiver : il n’y a qu’un 1/4 de tour à faire et on n’a pas besoin de mettre deux aimants en opposition, ce qui peut demander un peu de force. Par contre, ils ne comprennent qu’un seul aimant, et peuvent donc être un peu moins puissants.

    Enfin, une chose que l’on constate ici, quelque soit le type de socle, c’est que les parties en acier prolongent l’aimant en « conduisant » le champ magnétique. On observe ceci parfaitement bien avec des trombones et des aimants : si on colle un trombone sur un aimant, ce trombone devient aimanté aussi. On peut alors coller un second trombone au premier, et ainsi faire des chaînes de 4~5 trombones (voire davantage si on a un aimant très puissant).
    De façon plus technique, on dit que l’acier conduit le flux magnétique parce qu’il est paramagnétisme ou ferromagnétique.

    Dans l’aimant où il faut faire un quart de tour avec le bouton, le milieu du socle est en aluminium : ce matériau ne réagit pas au champ magnétique et ne le dévie, ni le conduit.

    image d’en-tête de moi-même :-)

  • Thursday 23 August 2018 - 07:13

    un camion bétonnière, malaxeur
    Sauf si vous vivez dans un chalet ou une hutte, vous avez probablement des éléments en béton partout autour de vous : murs, dalles au sol, mobilier urbain, poteaux électriques… à tel point que je suis donc sûr que vous savez à quoi ça ressemble. Pourtant, il est possible que vous ne savez pas comment on le fabrique !

    Le béton, ou plutôt le ciment que l’on utilise dans le béton se présente au départ comme une poudre grise, à laquelle on ajoute de l’eau pour former une pâte. On fait ensuite sécher cette pâte dans la forme et le lieu choisi pour le faire durcir. Non ?

    En réalité, ce n’est pas du tout ce qui se passe. Le béton, ou plutôt le ciment est de ces choses de la vie courante (comme les arbres !) qui fonctionnent de façon contre-intuitives.

    Contrairement à de la peinture à l’eau, le ciment ne sèche pas : il prend. Et le ciment peut très bien aussi « prendre » sous l’eau, en milieu totalement immergé. Son durcissement ne résulte en effet pas d’un séchage mais d’une réaction chimique dans laquelle l’eau a un rôle important. Voyons tout cela !

    béton ou ciment ?

    Le béton est ce qu’on utilise pour faire des dalles ou des murs : c’est un mélange de gravier et de ciment.

    Le ciment est là pour coller les graviers entre-eux et former un bloc solide. On pourrait se passer des graviers, mais le béton est de cette façon plus solide que le ciment seul, et il est également moins onéreux. Le ciment est cher à produire et l’inclusion de sable, de graviers et/ou de cailloux permet de réduire les coûts. Les propriétés mécaniques (rigidité, élasticité, solidité…) et l’aspect varient en fonction de la proportion de ces inclusions.

    Au sein du béton, les inclusions ne participent pas à la chimie responsable de son durcissement. Seul le ciment fait intervenir des réactions chimiques et c’est donc de ça que cet article va parler.

    La chimie du ciment

    Le ciment, plus précisément le ciment Portland (le plus utilisé) est une poudre grise très fine obtenue après un traitement chimique et thermique de roches calcaire, de gypse et de et divers minéraux dans les cimenteries. Je ne parlerai pas de ce traitement ici, mais seulement du processus de prise, donc du durcissement final du ciment.

    La poudre grise du ciment Portland contient divers minéraux, en proportions quelque peu variables qui sont :

    silicate tricalcique$3\text{CaO}\cdot\text{SiO}_2$de 45 à 79,7 %
    silicate bicalcique$2\text{CaO}\cdot\text{SiO}_2$de 5,7 à 29,8 %
    aluminate tricalcique$3\text{CaO}\cdot\text{Al}_2\text{O}_3$de 1,1 à 14,9 %
    aluminoferrite tétracalcique$4\text{CaO}\cdot\text{Al}_2\text{O}_3\cdot\text{Fe}_2\text{O}_{3}$de 2,0 à 16,5 %
    gypse$\text{CaSO}_4\cdot2\text{H}_2\text{O}$de 3 à 5 %

    Ce sont ces éléments qui vont réagir chimiquement avec l’eau que l’ont va rajouter à la poudre.

    Premièrement, l’eau va réagir avec l’oxyde de calcium, le $\text{CaO}$, ou chaux vive, présent dans l’aluminate tricalcique — très réactif — et rapidement former de l’hydroxyde de calcium. Le gypse permet de contrôler et ralentir cette réaction pour éviter une « fausse prise » trop rapide.
    Étant donnée que l’on ajoute de l’eau et que l’oxyde de calcium prend un hydrogène pour devenir de l’hydroxyde de calcium, cette étape est appelée l’hydratation.

    S’il y a assez d’eau, ce produit est à l’état de solution ionique et c’est un milieu très basique à cause des ions $\text{OH}^\text{-}$. Les ions présents dans la pâte liquide se réassemblent en cristaux longs et fins de monosulfoaluminate de calcium hydraté $3\text{CaO} \cdot \text{Al}_2\text{O}_3 \cdot 3\text{CaSO}_4 \cdot 32\text{H}_2\text{O}$, aussi appelé de l’ettringite. Cette réaction se produit après quelques minutes seulement, et dégage très rapidement beaucoup de chaleur.

    On dit maintenant que le ciment est en phase « dormante » : rien ne semble se passer, mais les cristaux d’ettringite, qui ne sont que des produits intermédiaires de la réaction disparaissent de façon imperceptible. On obtient une « soupe » de différents ions et le béton est alors relativement liquide.

    Les silicate tri‑ et bi‑calcique ne sont pas aussi réactifs que l’aluminate. Ils vont déshydrater l’etrringite en monosulfoaluminates de calcium $\text{CaO} \cdot 3\text{Al}_2\text{O}_3 \cdot \text{CaSO}_4 \cdot 12\text{H}_2\text{O}$, pour réagir eux-mêmes et former de l’hydroxyde de calcium (portlandite) : $\text{Ca}(\text{OH})_2$. Cette réaction là, de formation de portlandite, peut commence quelques heures après le mélange et s’estompe lentement, perdurant des mois. Là également, une bonne quantité de chaleur est émise :

    portlandite et ettringite
    Des cristaux d’ettringite (longs et fins) et de portlandite (en gros blocs), vu au microscope électronique (image)

    Les autres ions et éléments présents (oxydes de fer et d’aluminium) privés d’eau vont également retrouver leur forme cristalline sans vraiment participer à la cohésion du ciment.

    Une fois solide, l’ensemble forme une masse où divers cristaux s’enchevêtrent. Cette structure est très solide et donne au béton sa dureté bien connue.

    Enfin, une grande quantité de chaleur est libérée par le prise du béton, que ce soit tout au début lors de la formation de l’ettringite ou un peu après quand c’est le portlandite qui se forme. Si vous coulez une grande dalle de béton, il convient de prendre ceci en compte : le centre de la dalle risque de chauffer beaucoup plus que l’extérieur. Si l’ensemble chauffe trop, il peut alors fissurer, ce qui fragilise l’ensemble de la structure (et dans le cas d’un pont ou d’un mur, ce n’est clairement pas l’idéal). Aussi, il n’est pas rare que le béton soit maintenues au chaud avec des radiateurs ou des réchauds lorsque de grandes pièces sont coulées par temps froid. Ceci afin de réchauffer les couches extérieures de la pièce pour réduire la différence de température avec le cœur, et éviter les tensions mécaniques au sein du bloc de béton.

    Conclusion

    Pour conclure, comme on peut le voir, l’eau ne s’évapore à aucun moment. Il réagit simplement avec les minéraux dans le ciment et prend part dans la réaction et dans la structure solide finale. En tant que réactif, donc, il convient donc de bien doser l’apport en eau dès le départ, pour permettre au béton final d’être homogène sans qu’il reste de bulles d’eau ou de zones n’ayant pas réagit par manque d’hydratation.

    Une dalle de béton, aussi moche et ennuyeux que ça peut sembler, renferme là aussi bien de la science, en l’occurrence de la chimie !

    Références

    image d’en-tête de Tom VanNortwick

  • Thursday 06 September 2018 - 07:51

    photo de l’oiseau buveur
    L’oiseau buveur est un autre de ces jouets curieux : il suffit de lui mouiller la tête, de le placer devant un verre d’eau et hopla : un liquide contenu dans son corps va remonter, faire basculer l’oiseau dans l’eau puis redescendre en faisant se redresser l’oiseau dans sa position initiale. Le cycle se poursuivra tant qu’il y a de l’eau dans le verre.

    Alors, mouvement perpétuel ou pas ?

    Si vous me lisez ici, vous connaissez la réponse : le mouvement perpétuel n’existe pas. Ceci n’en est donc pas un, et l’oiseau fonctionne purement et simplement avec un peu de science !

    Fonctionnement détaillé

    On peut décrire l’oiseau buveur comme un tube rempli de liquide avec deux fioles, une à chaque bout, le tout, scellé. Le liquide peut voyager librement d’une fiole à l’autre en passant par le tube.
    La fiole du haut est recouverte d’une mousse spongieuse qui absorbe l’eau. La fiole du bas n’est pas recouverte, mais on voit que le tube descend un peu dans la fiole :

    schéma de l’oiseau buveur
    Quand la mousse sur la tête est imprégnée d’eau, et si l’air ambiant n’est pas saturé, l’eau sur la tête s’évapore : elle passe de l’état liquide à l’état gazeux. Cette opération requiert une certaine énergie, une certaine chaleur, qui est alors puisée dans la tête. La tête refroidit.

    Le gaz présent dans la tête se contracte : la pression baisse et devient est inférieure à la pression du gaz dans le corps au dessus du liquide. Les deux poches de gaz sont séparées par le liquide : pour rétablir l’équilibre de pression entre ces deux régions, le liquide est simplement poussé vers le haut :

    le liquide monte dans le corps de l’oiseau
    Une fois que suffisamment de liquide est remonté dans la tête, le centre d’équilibre de l’oiseau est déplacé : la tête devient la plus lourde et l’oiseau bascule. Si vous y avez placé un verre d’eau, le bec de l’oiseau trempe dans l’eau.
    Ceci a deux effets :

    1. l’eau qui s’était évaporée est remplacée, maintenant la tête bien humide ;
    2. dans sa position horizontale, le liquide ne sépare plus les deux poches de gaz : la pression se rééquilibre immédiatement et le liquide peut retourner en bas.

    l’oiseau peut basculer
    Le liquide s’est refroidit en entrant dans la tête froide. Aussi, quand il retombe en bas, il n’est plus refroidit et il se réchauffera.
    Une fois redressé, le cycle recommence : de l’eau s’évapore et refroidit la tête, ce qui diminue la pression à l’intérieur et fait remonter le liquide, etc.

    Le cycle ne s’arrête que si :

    • il n’y a plus d’eau : il n’y a alors plus rien à évaporer, et donc rien pour refroidir la tête ;
    • l’air est saturé en eau (hygrométrie à 100 %) : l’eau ne peut alors plus s’évaporer car l’air est déjà saturé ;
    • la température baisse au point d’empêcher l’eau de s’évaporer, ou de diminuer davantage la pression en bas que la pression dans la tête.

    À part ça, l’oiseau buveur peut continuer à basculer, encore et encore.

    Un moteur thermique ?

    L’oiseau buveur, si on résume, utilise des variations de température et de pression pour mettre quelque chose en mouvement (en l’occurrence, l’oiseau lui-même), ou, en d’autres termes, produire un travail mécanique. Ceci n’est donc en rien différent d’un moteur thermique, aussi bien un moteur diesel ou essence, qu’un moteur à vapeur ou même le moteur de Stirling.

    Cet objet, ce moteur donc, n’est pas assez puissant pour entraîner quoi que ce soit d’utile. Par ailleurs, le mouvement produit n’est qu’un petit basculement et un retour de basculement : ce n’est pas un cycle rotatif. Ceci est voulu et rend l’objet amusant.
    Il est tout à fait possible d’agencer plusieurs de ces systèmes de fioles et de tubes ensembles et ainsi obtenir un mouvement rotatif : on parle alors du moteur de Minto, ou de la roue de Minto.

    Ceci n’est pas un mouvement perpétuel, car il existe une source d’énergie qui n’a rien d’extraordinaire. Comme dans tous les moteurs thermiques il faut une source de chaleur « chaude » et une sourde ce chaleur « froide ». Ici, la source chaude est l’air ambiant : c’est elle qui permet de réchauffer le liquide en bas. La source froide, quand à elle est la tête : le refroidissement étant assuré par l’évaporation de l’eau, qui est une réaction endothermique, donc qui absorbe la chaleur environnement et refroidit la tête.

    Si l’air se refroidit, ou s’il n’y a plus d’eau du tout, le moteur s’arrête.

    Quelques autres infos

    Juste pour info, bien que la fiole contienne deux phases, une liquide et une gazeuse, elle ne contient qu’un seul et même produit : du chlorure de méthylène. La phase gazeuse est juste du chlorure de méthylène gazeux, et la phase liquide, du chlorure de méthylène liquide.

    Ce produit a l’avantage de changer de phase — de s’évaporer ou se liquéfier — à température et pression ambiante.

    On pourrait utiliser d’autres produits, mais ça rajouterait des contraintes : on peut utiliser de l’eau, mais le moteur ne fonctionnerait qu’à très haute température, ou encore du butane, mais il faudrait maintenir une pression importante.
    Le chlorure de méthylène a aussi l’avantage de pouvoir être coloré : on peut ainsi trouver ce jouet avec différentes couleurs : rouge, bleu, jaune…

    On peut trouver ce jouet un peu partout sur le net, pour moins de 5 euros, par exemple sur Amazon.

  • Friday 14 September 2018 - 18:33

    une plume
    C’est une question classique posée aux enfants pour leur enseigner des notions rudimentaires de la science. La réponse normale est évidemment qu’ils sont tous les deux aussi lourds.

    Ou pas !

    Car selon ce qu’on veut dire par « lequel est le plus lourd ? », la réponse peut se discuter. Pour la définition de « lourd », je vois trois possibilités :

    • lequel a la plus grande masse ?
    • lequel a le plus grand poids ?
    • lequel est le plus difficile à soulever ?

    Dans les trois cas, la réponse est différente !

    Les masses

    Masse grave et inerte

    On définit la masse de deux manières :

    • comme le coefficient de résistance à l’accélération : c’est son inertie, et on parle alors de la « masse inerte ».
    • comme le coefficient de soumission à la force de gravité : une masse plus grande signifie une attraction plus grande. On parle de la masse grave (comme dans « gravité »).

    Sans qu’on ne sache encore pourquoi, la Nature a fait en sorte que la masse grave et la masse inerte soient égales. Cette égalité est appelé « principe d’équivalence faible » et est un principe fondamental en physique.

    Tout ça est intéressant, mais on n’en a pas besoin ici, car la masse d’un kilogramme de plomb est strictement identique à la masse d’un kilogramme de plumes, par définition. Un kilogramme = un kilogramme, point.

    Masse comme quantité de matière

    Si l’on définit la masse comme une quantité de matière en revanche, on peut discuter : parle t-on d’un nombre d’atomes ? de nucléons (protons et neutrons) ?
    Dans un atome, 99,95 % de la masse est contenue dans le noyau et le 0,05 % restant est dans les électrons.

    Dans ce cas, on peut compter le nombre de nucléons dans un kilogramme de plumes et le nombre de nucléons dans un kilogramme de plomb. Et là… on trouvera une différence !

    En physique nucléaire, la masse des nucléons pesés de façon séparée est plus importante que la masse des nucléons collés ensemble !
    Ainsi, 4 atomes d’hydrogène (4×1 nucléon) est plus massif qu’un seul atome d’hélium (1×4 nucléons). Ceci, parce que le simple fait que les nucléons soient collés ensemble constitue une forme d’énergie : de l’énergie de cohésion nucléaire. Quand on fusionne de l’hydrogène en hélium (chose qui se passe dans le Soleil), environ 1 % de la masse est convertie en énergie (sous forme de rayonnement, de chaleur).

    La relation entre l’énergie libérée et la masse perdue est donnée par l’équation d’équivalence masse-énergie bien connue :

    $$\text{Énergie} = \text{masse} \times \text{célérité de la lumière}^2$$

    Du coup, dans l’atome de plomb qui possède entre 202 et 210 nucléons collés ensembles, la différence de masse devient significative par rapport aux atomes de carbone ou d’oxygène beaucoup plus petits constituants les plumes.

    Notre kilogramme de plumes possède moins de nucléons que notre kilogramme de plomb. Leur masse restera identique, mais le nombre de particules diffère. Peut-on alors dire que la quantité de matière diffère aussi ?

    Le poids

    Dans le langage courant, on désigne par « le poids » la force avec laquelle la gravité terrestre tire les objets vers le bas (vers elle). La force attractive sur un objet de masse $m_1$ fixe dépend alors de la masse $m_2$ de la planète et de sa géométrie :

    $$\text{force} = \text{G} \times \frac{\text{m}_1\times\text{m}_2}{d^2}$$

    Si la masse de la planète ($m_2$) est constante elle aussi, alors la seule variable est la distance $d$ entre la planète (son centre, en fait) et notre plomb et plumes (là aussi, leur centres de masse).

    Du coup, si l’on considère un kilo de plomb posé par terre sous la forme d’un cube de métal et le kilo de plumes comme un gros sac de plumes alors une partie du sac de plumes sera plus éloignée de la Terre que le cube de plomb.
    Cette partie sera un (tout petit peu) moins attirée vers la terre : dans cette configuration, le poids des plumes sera alors moindre que celle du plomb.

    Si l’on veut obtenir le même poids pour les deux, il faut que le centre de masse du cube de plomb soit au même niveau que le centre de masse du sac de plumes. On peut accomplir ça en surélevant le plomb, ou bien en étalant les plumes. Toujours est-il que si vous imaginiez « un kilo de plumes » comme un gros sac bien volumineux, alors le kilo de plomb a un poids plus important que le kilo de plumes.

    Le plus dur à soulever

    Dans l’exemple précédent, le plomb étant un peu plus proche de la Terre, il est également plus attiré et donc plus pesant : le soulever est donc plus difficile d’un iota. Mais ce n’est pas tout.

    Il y a autre chose à considérer : la poussée d’Archimède. En effet, même hors de l’eau, nous sommes toujours plongés dans un fluide : l’air ! L’air est un fluide et chaque objet qu’on immerge élève le niveau de l’atmosphère d’autant plus que cet objet est volumineux. L’objet subit une force de la part de l’atmosphère qui s’oppose à son immersion. Cette force (ou poussée) est nommée poussée d’Archimède et est dirigée vers le haut.

    La poussée d’Archimède est quantifiée comme la valeur du poids du volume de fluide déplacé (mais dans le sens opposé) :

    $$\vec{F}_{\text{Archimède}} = -\vec{P}_{\text{volume de fluide déplacé}}$$

    Si l’on immerge un kilogramme de plomb, le niveau de fluide n’est que peu modifié grâce au faible volume occupé par le plomb, mais un gros tas de plumes déplace davantage de fluide. Le poids du fluide déplacé est donc plus important et la poussée d’Archimède également.

    Il en résulte que les plumes subissent une poussée d’Archimède bien plus grande que le plomb : soulever un kilo de plumes est donc un chouiya plus facile.
    À noter cependant : cette différence est dans le même sans que tout à l’heure avec la différence d’attraction terrestres, mais elle a une origine différente ! La poussée d’Archimède dans l’atmosphère est une force qui vient s’ajouter à la force poids dans la liste des forces s’exerçant sur les plumes et le plomb.

    La poussée d’Archimède est généralement ignorée. Pourtant, il est possible d’avoir des objets dont la densité est si faible que la poussée d’Archimède surpasse la force poids : un tel objet posé par Terre se soulèverait alors dans les airs.
    Un tel objet vous en connaissez : c’est une montgolfière, un ballon dirigeable, ou encore un ballon d’hélium.

    On l’oublie souvent, mais la force qui soulève une montgolfière est la poussée d’Archimède, cette dernière dépendant directement des densités à la fois du fluide immergeant (l’air) que des objets immergés.

    De plus, la densité de l’air diminue avec l’altitude (l’air étant moins comprimée à mesure qu’on s’élève), il vient un moment où la densité de l’air entourant une montgolfière est égale à la densité de la montgolfière : le ballon stagne donc à une altitude donnée. Il n’y a donc aucun risque que le ballon s’élève indéfiniment et se perde dans l’espace.

    (Merci à Hapitude sur le site SCMB pour l’idée de cet article !)

    mage d’en-tête de Gytis Cibulskis