Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de sep/oct/nov 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 6 Mo

  • Dans ce numéro : des gouttes qui s'éclatent.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Tomber plus vite que la gravité Tomber plus vite que la gravité semble contre-intuitif au premier abord. Pourtant, cette situation peut être mise en évidence grâce au slinky, un ressort métallique très mou proposé en 1943 par l’ingénieur en mécanique Richard T. James (fig. E1). Pour observer une chute « libre » plus rapide que la gravité, tenons le jouet par une extrémité et laissons-le pendre sous son propre poids. La raideur du ressort étant faible, il s’allonge considérablement et l’écartement de deux spires successives diminue de haut en bas. Cela n’a rien d’étonnant car, à l’équilibre, chaque segment du ressort soutient le poids de la masse qui se trouve au-dessous de lui. Comme cette force diminue de haut en bas, l’écartement de deux spires hautes (qui est approximativement proportionnel à la force appliquée) est plus important que celui de deux spires basses. Lâchons maintenant le slinky et observons sa chute. Même si tout va assez vite, l’œil nu perçoit que l’extrémité inférieure ne bouge pas et reste immobile tant qu’elle n’est pas rattrapée par la partie supérieure ! Le visionnage au ralenti d’une vidéo de cette chute [8] ou de photos successives prises à la manière de la chronophotographie de Marey (fig. E1) révèle plus de détails. Le ressort en chute libre présente deux parties  : une zone inférieure immobile, qui conserve l’état de déformation qu’elle avait lorsque le ressort était tenu, et une zone supérieure qui tombe, où les spires sont jointives et le ressort totalement replié. Pourquoi cela ? Au moment où le slinky est lâché, son segment supérieur subit, outre son propre poids, une force dirigée vers le bas due à la tension du ressort. Il s’ensuit que l’accélération de ce segment sera supérieure à l’accélération de la pesanteur, car la force totale qu’il subit dépasse son poids. Autrement dit, ce segment tombe plus vite que s’il était en chute libre ! En revanche, une spire du bas reste immobile car encore à l’équilibre entre la tension du ressort et son poids. Après le lâcher, l’écartement des spires du haut se réduit, le ressort se raccourcit et sa tension interne au niveau de son segment supérieur diminue. La tension subie par l’extrémité haute du segment suivant diminue donc aussi, alors que la tension subie par son extrémité basse ne varie pas. Ce deuxième segment amorce alors sa chute, et ainsi de suite pour les segments suivants. Références 1 N. Hulin, L’enseignement secondaire scientifique en France d'un siècle à l'autre, 1802-1980, INRP (2007). 2 É. Guyon (dir.), L’École normale de l’an III. Leçons de physique, chimie et d’histoire naturelle, Éditions Rue d’Ulm (2006). 3 F. Héritier-Augé (dir.), Les musées de l’Éducation nationale  : Mission d’étude et de réflexion, La Documentation française (1991). 40 Reflets de la Physique n°59 4 Les grands travaux prévus alors pour le Palais de la découverte ne pourront se faire par suite de problèmes structuraux du Grand Palais, qui avaient été identifiés dès cette période. 5 «At my juvenile Christmas lectures, I have never found a child too young to understand intelligently what I told him ; they came tome afterwards with questions who proved their capability», M. Faraday. r l'I J I J Pi"Jh":" I) """-M E1. Roland Lehoucq montre que lorsqu’on lâche le haut du slinky, son extrémité inférieure ne descend pas tant que le ressort n’est pas totalement comprimé. Les images successives sont séparées de 40 ms. L’information « le slinky est lâché » n’est donc ressentie en un point du ressort que quand celui-ci est atteint par l’onde de compression des spires, qui se propage de proche en proche selon le mécanisme décrit plus haut. Comme le slinky est un ressort très mou, la vitesse de cette onde de compression est inférieure à la vitesse de chute acquise en une fraction de seconde par les spires. La chute s’amorce donc par les spires du haut qui se resserrent avant de tomber en bloc, entraînant dans leur chute les spires de la partie inférieure restées immobiles. Le centre de gravité du ressort considéré comme un tout a une accélération égale à celle de la pesanteur, heureusement ! Cependant, comme sa partie inférieure est immobile, sa partie supérieure accélère plus vite que l’accélération de la pesanteur. Quand le ressort retrouve sa longueur au repos, il tombe d’un bloc, avec l’accélération de la pesanteur, heureusement encore. Ce phénomène est a priori présent dans tous les objets en chute libre. Mais, en général beaucoup plus rigides que le slinky, ils sont très peu déformés par leur propre poids, et les tensions internes se relâchent en une durée bien plus courte que la durée caractéristique de chute  : quand un objet rigide est lâché, son bas et son haut tombent donc en bloc. iuvirea r encadré 3 6 Les expériences proposées par Louis Boyer dans Feu et flammes, Belin (2006), sont un prolongement d’un tel programme. 7 www.rigb.org/christmas-lectures/Watch 8 video «How does a slinky fall ? » de la chaine Youtube Veritasium www.youtube.com/watch ? v=mAA613hqqZ0
Prix scientifiques Anne-Marie Lagrange est astrophysicienne, directrice de recherches 1 re classe du CNRS à l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble (IPAG), où elle travaille dans le domaine émergent des exoplanètes. C’est en 1995 que la première exoplanète fut découverte par des techniques indirectes. Dans les années 1980-1990, A.-M. Lagrange a travaillé sur les exocomètes et sur les disques résidus de la formation planétaire. Puis, elle a contribué à attirer l’attention des astrophysiciens sur l’imagerie directe des exoplanètes et, de ce fait, la France est aujourd’hui leader de cette thématique très compétitive. Cette technique pousse les développements instrumentaux vers des défis de plus en plus impressionnants. Marina Galand est une spécialiste des atmosphères planétaires. Ses contributions à ce domaine de la physique sont exceptionnelles. Elle a étudié l’effet des sources d’énergie telles que le rayonnement solaire et les particules de l’environnement magnétique sur les atmosphères des planètes du système solaire et d’au-delà. Elle a développé en particulier des modèles cinétiques et fluides du plasma créé et perturbé par ces sources, qu’elle a adaptés pour prédire et interpréter les données multi-instrumentales de missions spatiales de l’ESA et de la NASA telles que Cassini, Venus Express et Rosetta. Prix Jean Ricard 2017  : Anne-Marie Lagrange Au sein et autour de la SFP Anne-Marie Lagrange est née en 1962. Après des études à l’École polytechnique, suivies d’une thèse d’astrophysique à l’Université Paris VII obtenue en 1988, elle a effectué un séjour postdoctoral à Garching en Allemagne, au siège de l’ESO (European Southern Observatory), organisme qui pilote les grands observatoires au sol auxquels l’Europe participe. Elle est chargée de recherche au CNRS depuis 1990. Nous pouvons notamment citer l’instrument NACO et, plus récemment, l’instrument SPHERE sur le Very Large Telescope (VLT, situé au Chili) de l’ESO qui, grâce aux techniques extrêmes d’optique adaptative et à la coronographie, permet d’isoler la faible lueur de l’exoplanète juste à côté du phare que constitue l’étoile hôte. Anne-Marie Lagrange a été à l’origine de SPHERE et pilote des programmes internationaux de découvertes de nouveaux mondes avec des résultats de portée mondiale. Ses travaux sur l’étoile Beta Pictoris notamment, caractérisation de son disque et de la planète orbitant en son sein, ont eu des répercussions fondamentales sur la compréhension de l’évolution des systèmes planétaires jeunes. Prix Holweck 2018  : Marina Galand Auteure de plus de 150 publications dans des journaux à comité de lecture, A.-M. Lagrange a reçu de nombreuses distinctions, dont la médaille de bronze du CNRS en 1994 et le prix Irène Joliot-Curie, Femme scientifique de l’année, en 2011. Elle a été directrice adjointe de l’Institut National des Sciences de l’Univers (INSU) du CNRS de 2004 à 2006, et élue membre de l’Académie des sciences en 2013. Le jury des Grands Prix de la Société Française de Physique est heureux de décerner à Anne-Marie Lagrange le prix Jean Ricard 2017 pour ses travaux exceptionnels en astrophysique, et particulièrement sur les exoplanètes. Marina Galand a effectué ses études en France à Grenoble où elle a soutenu, en 1996, une thèse sur le transport des protons dans l’ionosphère aurorale à l’Université Joseph Fourier. Elle a ensuite travaillé pendant dix ans aux USA, au National Center for Atmospheric Research (NCAR) et au National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), puis à l’Université de Boston. En 2005, elle est retournée à Londres, où elle est professeure («reader») à l’Imperial College. M. Galand s’est focalisée sur les planètes du système solaire  : Vénus, la Terre et Mars, Jupiter et sa lune Ganymède qui génère son propre champ magnétique, Saturne et son principal satellite Titan, mais aussi les comètes et les exoplanètes gazeuses géantes orbitant autour d’autres étoiles. Sur les planètes comme Saturne, elle a caractérisé une couche de plasma critique, l’ionosphère, cruciale pour la distribution du courant magnétosphérique global, et qui influence le bilan énergétique de l’atmosphère. L’interprétation de la composition en ions du plasma proche de la surface de la comète 67P (« Tchouri ») , mesurée par la sonde Rosetta, repose entièrement sur son travail de modélisation. Pour Titan, elle a contribué à montrer que l’ionosphère est un système organique complexe, avec des implications astro biologiques. La SFP et l’IoP sont heureux de récompenser Marina Galand par l’attribution du prix Holweck, pour sa contribution remarquable à notre compréhension de la réponse des atmosphères planétaires soumises à des flux d’énergie. La remise du prix a eu lieu le 27 août 2018 lors des Journées de la Matière Condensée (JMC) à Grenoble. Créé en 1945, le prix Holweck est décerné conjointement par l’Institute of Physics britannique et la Société Française de Physique, à un physicien ou une physicienne ayant réalisé des travaux exceptionnels durant les dix années précédant l’attribution du prix. Reflets de la Physique n°59 41



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