Comment faire de la physique en buvant un café ?

Dimanche matin, réveil difficile. Je me fais un petit espresso, y colle un demi-sucre, mélange le tout. Doux rituel... J'ai une fâcheuse habitude, celle de jouer avec les objets qui sont à portée de main : en l'occurrence, ma cuillère à café. Je la tourne et me regarde successivement dans la face intérieure et la face extérieure, et constate quelque chose de rigolo : mon reflet est dans le premier cas à l'envers, dans l'autre cas à l'endroit ! Curieux, non ? Pourtant il existe une explication !

A gauche, mon reflet est renversé. A droite, il est dans le bon sens

L'optique géométrique

Certes. Avec un nom pareil, ça rend la pause café un peu moins fun. Mais il ne s'agit pas là d'un terme que seuls des barbus sexagénaires en blouse blanche peuvent comprendre (je plaisante amis chercheurs, hein !). L'optique géométrique est tout simplement une branche de l'optique (relation lumière - vision) qui permet notamment des constructions géométriques d'images.

Et j'ai besoin d'une base simple pour prouver mon raisonnement dans le paragraphe suivant : le principe de la réflexion optique. Ce principe dicte la façon dont se reflètent des rayons lumineux sur une surface réfléchissante (un miroir par exemple), en s'appuyant sur les lois de Snell-Descartes (essayez de sortir ça en diner mondain ça sera du plus bel effet).

principe de la réflexion en optique géométrique

dans le cas où la surface est un miroir, les deux angles sont identiques

Bref c'est l'optique géométrique qui va répondre à notre question : comment se fait-il donc que je me voie à l'envers dans une cuillère ?

Miroir concave, miroir convexe

Tout d'abord, c'est quoi des miroirs concave et convexe ? Ce sont tous deux des miroirs sphériques. Concave signifie que sa forme est creuse, tandis que convexe signifie que sa forme est bombée. Alors comme on fait comme on peut pour se rappeler lequel est lequel, moi je me rappelle toujours qu'on creuse une cave, et que dans concave il y a cave... bref concave = creux. Dans convexe il y a vexe aussi, mais ça sert à rien :)

Quand je regarde la cuillère côté creux je suis donc face à un miroir concave. Quand je la regarde côté bombé je suis face à un miroir convexe.

Attaquons maintenant avec l'optique géométrique. Je suis face à ma cuillère... (mon café va refroidir). 

Pour bien saisir pourquoi mon reflet est à l'envers, regardez le schéma ci-contre. Pour respecter le principe de Snell-Descartes décrit plus haut, voyez comment les rayons de lumière qui partent de mes pieds (en bleu) et de ma tête (en orange) sont renvoyés selon qu'on se trouve côté creux côté bombé.
En appliquant ce raisonnement à chaque point de mon corps, on obtient l'image inversée représentée en pointillés sur le schéma. 

Ce raisonnement explique aussi pourquoi la gauche se retrouve à droite et inversement.

Enfin, vous aurez aussi noté qu'avec ce schéma on explique pourquoi le reflet est plus petit que la source (dessinée devant mes yeux). Bref, l'optique géométrique explique un paquet de choses, non ?

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La prochaine fois que vous mélangerez votre sucre dans votre café, 

vous ne vous verrez plus de la même façon :)

Des applications des miroirs concaves et convexes

Vous en croisez fréquemment si vous conduisez : aux carrefours dangereux, on installe des miroirs convexes pour augmenter la visibilité.

Et si vous aimez admirer les étoiles ou vous demandez comment on les observe, vous connaissez bien cet instrument : le télescope. Eh bien, c'est un miroir concave qui est utilisé comme miroir primaire.

Enfin, si vous êtes déjà allés dans les fêtes foraines, vous aurez certainement vu les applications de l'optique géométrique avec les miroirs déformants. Ce ne sont pas forcément des miroirs sphériques (bombés ou creux), mais ils ne sont pas "plats", et donc là encore les principes exposés plus haut s'appliquent. On peut en fait étendre ces principes à n'importe quelle forme de miroir... tout s'explique simplement par la façon dont les rayons lumineux "rebondissent" sur la surface ;)

C'est quoi la gravité ?

Pourquoi Newton s'est-il pris une pomme sur la tronche ? Parce qu'il pionçait sous un pommier ? Vrai, enfin il paraît. Mais sinon...

Newton a dit "Mangez 5 fruits et légumes par jour."

Une force invisible

La gravité, c'est cette chose qui fait qu'on pèse quelque chose, qu'on est attiré vers le sol par la Terre. En fait ça n'est pas vraiment une chose. En sciences, et plus précisément en physique (la science de la nature), on dit que la gravité est une force, et elle est invisible. Plutôt cool non ?

Oui, invisible : on ne peut pas pas la voir. C'est tout simplement impossible. La plupart du temps, les scientifiques cherchent justement à expliquer les choses qu'on ne voit pas, mais dont on sait qu'elles existent parce qu'on observe ses effets (une pomme qui tombe en l'occurrence). Bref, comme la gravité est une force invisible, eh bien... les gens ont mis très longtemps avant de se rendre compte qu'elle existait. Pourquoi ? Parce que tout ce que vous voyez autour de vous et que vous connaissez depuis tout petit vous paraît naturel. Que le ciel soit bleu vous paraît naturel. Vous savez pourquoi il est bleu au fait ? Pas sûr que vous vous soyez posé la question (et si ça n'est pas le cas je vous expliquerai !). Eh bien nos arrières- arrières-arrières-...-grands-parents eux se disaient que c'était "normal" d'avoir les pieds collés au sol ;)

Un type balèze, mais pas tout seul

Mais quand même, au 17e siecle, un certain Isaac Newton, philosophe, mathématicien, physicien, alchimiste et astronome (rien que ça... on n'en fait plus des comme lui, il était quand même balèze...), s'est inspiré des travaux d'autres scientifiques pour étudier la physique. C'est lui qui, le premier, a établi la loi de la gravitation universelle, qui décrit la force dont je vous parle. Il a fait le lien entre les astres (les objets dans le ciel) qui s'attirent (les scientifiques les voyaient tourner les uns autour des autres, en déduisant qu'une force intervenait là-dedans), et la pomme qui tombe du pommier, attirée par... la Terre donc.

Crédit : Musée des Sciences de Londres.

Newton a en fait utilisé les recherches des grands Galilée et Kepler.

• Galilée disait que les objets tombaient tous à la même vitesse. Pour le prouver il avait lâché deux boules de fer dont l'une pesait 100 fois le poids de l'autre du haut de la tour de Pise (qui était penchée, ce qui évitait de casser la façade, c'est quand même bien fait !), constatant qu'elles arrivaient quasiment en même temps, la différence étant liée à la résistance de l'air.
  
  
  
  
  "Eh Galilei, tu les envoies tes boules de métal ou bien ?"
  
  
• Kepler étudia le mouvement des planètes, et en déduit 3 lois, dont une en particulier qui stipule que les planètes qu'il voyait tournent autour du Soleil (pas tout à fait en rond, mais en ellipses -- qui sont des sortes de cercles écrasés, voir le schéma ci-dessous).

Mouvements elliptiques des planètes autour du Soleil

Bref, après de sérieuses recherches et beaucoup d'observations (et probablement beaucoup de pinard ??), Newton trouva une formule qui donnait l'intensité de la force gravitationnelle (la gravité en d'autres termes). En d'autres termes, il trouva comment exprimer "à quel point machin et machine s'attirent".

Oui je sais, ça fait classe une équation entre deux tranches de texte... pourtant là y a pas de lettres grecques, si vous saviez !

• F est l'intensité (plus elle est grande, plus la force est grande quoi). 
• G est une constante calculée par Isaac, dont la valeur n'a pas d'intérêt ici
• m1 et m2 sont les masses des deux corps qui intéragissent ensemble (la pomme et la Terre par exemple, ou le Soleil et la Terre...)
• d est la distance entre les deux corps (en mètres)

Pour exprimer une longueur on utilise par exemple le mètre, eh bien figurez-vous que l'unité dans laquelle on exprime cette force est le... Newton ! Eh oui !

Que faut-il en retenir de ce truc ?

- Plus les objets sont massifs (plus leur masse est élevée), plus la force qui les lie est grande.
- Plus ils sont proches l'un de l'autre, plus la force qui les lie est grande.

Alors voilà, vous savez maintenant pourquoi vous êtes attirés vers le sol. C'est parce que la Terre, qui pèse tout de même son poids, vous attire vers elle. Vous aussi d'ailleurs, vous l'attirez, mais votre contribution à cette force est toute petite petite face à celle de la Terre. En effet, la Terre pèse 6 000 000 000 000 000 000 000 000 kilos, soit à la louche 200 milliards de fois la masse totale de tous les habitants de la Terre réunis !

Et c'est cette même force qui fait que la Lune tourne autour de la Terre (elle ne peut s'échapper), et que la Terre tourne autour du Soleil.

Des petites questions quand même...

Pourquoi moi je n'attire pas les choses autour de moi ?
Eh bien c'est parce que dans la formule qui donne l'intensité de la force entre moi et mon voisin, la fameuse constante G est très très petite, et ma masse et celle des objets autour de moi sont plutôt petites... donc la valeur de F est très petite, quasiment nulle... Du coup la force que me lie à mon canapé (à part la gravité qui y maintient mes fesses) est en gros nulle.

Si les objets lourds, comme les planètes, s'attirent, pourquoi ne tombent-ils pas les uns sur les autres comme la pomme sur la Terre ?
Alors là, c'est un peu plus compliqué. En fait c'est une question de mouvement initial. La Lune tourne autour de la Terre avec une certaine vitesse, de même la Terre tourne autour du Soleil avec une certaine autre vitesse. Ce sont ces vitesses, très grandes (la Terre parcourt presque 30 km/s, soit 108 000 km/h !), qui empêche la chute des planètes sur elles-mêmes, car elle provoquent une force dite centrifuge. Si vous montez sur un manège, vous pourrez sentir cette force qui vous emmène vers l'extérieur de ce dernier quand il tourne de plus en plus vite.

De bons sites

http://membres.multimania.fr/newtonphysique/ (attention vieux site web, la déco n'est plus toute jeune, mais le contenu est intéressant ^^)

http://molaire1.perso.sfr.fr/gravite.html

C'est quoi ce bruit dans mes enceintes ?

Est-ce que comme moi, vous vous êtes déjà demandés pourquoi, quand vous branchez ou débranchez le câble qui mène votre ordinateur à votre système hifi (ces derniers allumés), un bruit grave et sourd se fait entendre brièvement dans les enceintes ? Pas agréable le bruit... Ce bruit sourd, on l'appelle bruit de masse (la masse dont je vous ai parlée récemment), et ça ressemble à quelque chose comme ça :

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Les composants qui permettent au son de circuler

Je me prends un bruit dans la tronche, je veux savoir d'où il vient, je suis curieux et j'aime bien réfléchir (enfin quand je peux). Qu'est-ce que je fais ? D'abord je me demande quels sont les éléments qui interviennent dans la transmission du son :

• enceintes / hauts-parleurs
• amplificateur
• câbles
• connectique - C'est quoi la connectique ? C'est un ensemble de trucs qui permettent de brancher un bidule dans un machin (pour "connecter" quoi !)...

Je vous présente le "jack", ce petit embout que vous connaissez sans doute sans le savoir, et qui est très utilisé dans les métiers du son. Un jack, c'est en gros du plastique et du metal (parfois précieux). Il existe des jacks mono, et stéréo, pour faire passer du son... monophonique ou stéréophonique (logique non ?). Le son stéréo, en gros c'est quand on enregistre avec 2 micros ou qu'on le restitue sur 2 hauts-parleurs. Je pars du principe que tout le monde est équipé en stéréo en 2010... Le jack ci-contre est donc un jack stéréo.

Alors, c'est qui le p'tit malin responsable ?

Pas les enceintes, puisqu'elles se contentent de traduire un signal audio (le son à l'état électrique si vous préférez) qui arrive depuis les fils qui y sont connectés en ondes acoustiques (autrement dit en "vrai" son).

Pas les câbles, ni l'ampli. S'il est vrai que les câbles peuvent induire des perturbations du signal, dans notre contexte ça ne n'est pas le cas : en débranchant le connecteur, on n'a pas changé l'état des câbles, et du coup s'ils étaient responsables du bruit, on aurait eu ce bruit en permanence. Idem pour l'ampli, lui est allumé point barre.

Ceci n'est pas un bruit de masse, mais si la douleur auditive persiste, éteignez votre télévision

La réponse, c'est le jack !

• Lorsqu'on le débranche, les connecteurs droit et gauche, (c'est-à-dire le "ring" - l'anneau - (R) "tip" - et la pointe - (L) du jack qui comporte 3 parties avec la masse) connectés donc aux 2 enceintes correspondantes, entrent successivement en contact avec la masse de mon ordinateur. D'où le bruit ... de masse.... un bruit assez grave qui est donc normalement du 50 Hz. Ça se passe très rapidement, mais normalement vous devriez entendre le bruit d'abord dans l'enceinte droite, puis dans la gauche.

• Lorsqu'on le branche, c'est l'inverse : le tip touche la masse, puis le ring, donc le bruit arrive d'abord dans l'enceinte gauche, puis la droite !

Et une petite video pour illustrer tout ça :)

C'est quoi la masse électrique ?

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J'étais en train de rédiger un article sur le "bruit de masse" l'autre jour entre le fromage et le dessert, quand je me suis dit : "Mais au fait c'est quoi la masse ?". Ca paraît être un acquis, mais l'expliquer de façon simple, accroche toi mon coco !

En électricité, on en entend souvent parler, et elle n'a rien à voir avec la masse d'un objet (celle qui permet de calculer le poids).

La définition

Voici une définition classique, que je vais expliciter : la masse, c'est un point de référence du potentiel électrique (wiki: Masse_(électricité)). Woaw !

Qu'est-ce que ça veut dire potentiel électrique ? Eh bien, dans les sciences, on utilise des échelles de mesure pour savoir de quoi on parle. On mesure par exemple la température en degrés Celsius pour savoir s'il fait plus ou moins chaud, la vitesse en km/h, les distances en mètres (m)... En électricité, un potentiel permet de définir une sorte d'échelle de l'état électrique : plus ou moins "chargé". Cette échelle est exprimée en Volt (du nom de l'inventeur de la pile électrique Volta). La référence correspond le plus souvent au 0. Ainsi un potentiel de référence électrique, autrement dit la masse, correspond le plus souvent à 0 Volt (mais pas toujours, j'y reviendrai plus tard).

A quoi sert la masse ?

Dans un circuit électrique (un chemin si vous préférez), par elle passe la quantité d'électricité indésirable.

Prenons deux exemples :

• dans les fils d'un montage hifi, elle permet de filtrer certains "bruits" dans le signal audio (ou son si vous préférez)
• dans le cas d'appareils électroménagers, elle nous protège nous, les consommateurs, de défauts d'isolement

Je reviens sur le cas des appareils électroménagers. Imaginons une machine à laver. Elle est branchée au réseau électrique, et donc alimentée par du 220V (ça fait donc 220V de plus que la masse si vous avez suivi !). Si dans cette grosse boîte pleine de fils, l'un d'entre eux, connecté à la phase (celui que vous envoie du 220V dans les dents) vient à toucher la carcasse, alors si tout se passe bien, le disjoncteur se déclenche (les plombs sautent). Pourquoi ?

Parce que toute carcasse d'appareil électroménager est reliée à la masse (c'est d'ailleurs symbolisé par le dessin à gauche, que vous trouverez quelque part sur votre appareil électrique). Et évidemment si on relie un point qui est chargé à 220V et l'autre à 0V, ça fait une belle décharge, et donc les plombs ont de quoi sauter.

Si la masse n'était pas là, c'est votre corps qui ferait office de fil relié à la Terre, car votre corps conduit l'électricité. L'électricité, cette flemmarde, cherche toujours à aller vers un état plus peinard, et elle se "déchargerait" donc à travers vous pour aller vers le 0. Vous le sentiriez passer ! Et votre coupe de cheveux aussi s'en ressentirait :)

Où trouve-t-on la masse dans la vie de tous les jours ?

Facile ! Un autre nom de la masse est... la Terre ! Eh oui, la Terre est au potentiel 0. Evidemment, car si la elle avait un potentiel non nul, on aurait une énergie gratuite et illimitée à portée de main, il suffirait par exemple de brancher son chargeur de téléphone dans le sol, pas dans une prise électrique (je schématise bien sûr !).

Justement, puisque je parle de prise électrique, regardez celles qui se trouvent autour de vous :

Il y a, normalement, 2 trous et une fiche. La masse est reliée à cette fiche qui dépasse. Le courant qui alimente les appareils électriques, lui, passe par les trous, donc on ne met pas ses doigts dedans !! On peut par contre toucher sans danger la fiche de masse.

Enfin pour les bricoleurs, ceux qui relient les fils dans les prises électriques par exemple, sachez qu'un code de couleur normalisé permet de reconnaître le fil de masse : il est jaune et vert.

Enfin, sur le papier, il existe deux symboles utilisés par les gens qui dessinent les schémas électriques. Pourquoi différencie-t-on la Terre et la masse ? Eh bien la Terre est au potentiel de 0V. Si je prends la Terre comme référence, alors par définition c'est une masse. Mais si mon potentiel de référence n'est pas 0V, mais 10V (par exemple au pif !), la masse de mon circuit est à 10V, et dans ce contexte précis, la Terre n'est plus équivalente à la masse. Bon, en vrai, les deux sont très souvent équivalents ! Retenez donc que c'est pareil, pour simplifier ;)


Ça y est, la masse électrique n'a plus de secrets pour vous ?