Les gouttes rebondissantes et marcheuses Liste du matriel
Les gouttes rebondissantes et marcheuses
Liste du matériel Stroboscope n° 1 : panneau à LEDs impulsives et masque bicolore diffusant Caméra n° 1 « gouttes » pot vibrant avec récipient accessoires de remplissage et de vidange du récipient (le récipient doit être vidé avant chaque déplacement du bus) : huile de silicone, gants, pipette et propipette Stroboscope n° 2 : éclairage dirigé (non diffus) Caméra n° 2 « onde » Gouttes marcheuses 2
Mise en route (I) 1) mettre sous tension la multiprise (sur la table sous l'écran) et démarrer l'ordinateur (bouton côté droit de l’écran) ; 2) mettre les gants puis verser l'huile de silicone dans le récipient fixé sur le pot vibrant (jusqu'aux 2/3 environ) ; 3) prendre un peu d'huile avec la seringue (remplissage à moitié environ) 4) essuyer toute trace d'huile sur le plan de travail, les bords des contenants et sur les gants, puis mettre les gants de côté pour l'étape d'arrêt de la manip (voir plus loin) 5) lancer les caméras (voir indications « lancement caméras » ci-après) 6) Démarrer le panneau de LEDs (stroboscope n° 1): alimenter le boîtier blanc (raccordement à l’arrière si ce n’est pas fait), choisir le mode de réglage (3 boutons de gauche : fréquence, amplitude froide, amplitude chaude) et régler le premier à 60 Hz et les suivants à 5 (amplitude max) à l'aide des boutons de droite (réglage supérieur : réglage fin (sans inutilité en fait dans ce protocole car les réglages tombent sur des unités), réglage inférieur : réglage grossier) fréquence réglage fin réglage grossier Boîtier de commande du panneau à LEDs Gouttes marcheuses 3
Mise en route (II) 7) alimenter le pot vibrant (boîtier noir à droite, bouton derrière) et le régler à 61 Hz également 8) augmenter l'amplitude progressivement jusqu'à voir apparaître des vagues à la surface de l'huile mais sans éclaboussures (ce point est appelé seuil de Faraday), puis réduire l'amplitude et la laisser légèrement inférieure à ce seuil (on ne doit plus voir les corrugations en surface du liquide). Le liquide doit sembler immobile. En fait il monte et il descend parallèlement à luimême à 61 Hz avec une faible amplitude (< 1 mm mais visible à 1 Hz par effet stroboscopique en regardant sur les bords du récipient). 9) Pour faire apparaître les gouttes, il est possible de tremper très brièvement la seringue dans l'huile ou de propulser directement de l'huile de la seringue sur la surface du bain d'huile (formation d’un grand nombre de gouttes d’un seul coup). Gouttes marcheuses 4
Visualisation du phénomène (I) Ø L'observation des gouttes peut être faite en direct, avec ou sans loupe binoculaire (avec loupe : mise au point à environ 10 cm de la loupe), ou à l'aide de la caméra inférieure (voir « démarrage caméras » ciaprès). A l’œil, l’effet stroboscopique donne un ralenti apparent du mouvement des gouttes à 1 Hz, c’està-dire à la différence de fréquence entre le mouvement et le stroboscope. Avec la camera, c’est la camera qui sert de stroboscope (nombre d’images par seconde (i/s) caméra ↔ fréquence du stroboscope). Régler la caméra sur 60 i/s ou 30 i/s. Ø L'observation des ondes peut être facilitée en les observant par le côté droit en partie supérieure (stroboscope n° 2 + caméra n° 2 + repère matérialisé par un trou) directement en plaçant son œil en face du trou (mettre la pupille de l’œil dans le plan du trou) ou en y plaçant la caméra n° 2 (voir figure). Pour cela il est nécessaire de démarrer l’éclairage stroboscopique supérieur (interrupteur sur le dessus du boîtier, réglage proche de 3600 flashs/min ; régler l’allure des ondes centrifuge sen live) Repère pour l’observation des ondes à l’œil : Placement de la caméra n° 2 pour observer les ondes Ø L’éclairage (stroboscope n° 2) ayant également été réglé sur 60 Hz (i. e. 3600 flashs / minute, indication à faire apparaitre sur le stroboscope n° 2), l’ensemble paraît immobile. Il est possible de créer un ralenti en modifiant légèrement la fréquence de l’éclairage. Gouttes marcheuses 5
Visualisation du phénomène (II) Démarrage des caméras : Ø Sur l'écran d'accueil de l'ordinateur (tactile, une souris sans fil est disponible également), toucher ou cliquer sur l'icône Thorcam (logiciel de contrôle des caméras). Le bureau apparaît avec une petite fenêtre correspondant à Thorcam. Ø Lancer les caméras une par une en sélectionnant l'icône contenant une flèche verte, puis la caméra souhaitée. Une nouvelle fenêtre s'ouvre pour chaque caméra. Les répartir sur l'écran puis cliquer sur la première icône présentant un morceau de film (Start capture). Les champs de vue apparaissent alors dans les fenêtres. Un réglage de la position de la caméra inférieure ( « gouttes » ) peut être nécessaire pour la mise au point (positionner la bague de réglage en position intermédiaire puis déplacer manuellement le support de la caméra, affiner ensuite la mise au point avec la bague). Aucun réglage n'est nécessaire pour la caméra supérieure. Les caméras doivent être sur 60 i/s ou 30 i/s (réglages par défaut) Démarrage du direct Gouttes marcheuses 6
Quelques explications (I) Huile de silicone et « vagues » (ondes) créées par les rebonds Ø Lorsque la goutte créée tombe, le liquide en vibration remonte en même temps. Ainsi, l'air compris entre les deux est comprimé rapidement, il est alors coincé et forme un "coussin" d'air sur lequel la goutte rebondit sans jamais toucher la surface du fluide inférieur. Ceci empêche la goutte de se mélanger avec le fluide inférieur alors qu’elle est constituée du même liquide (i. e. huile silicone). Ce rebond crée une onde sphérique progressive centrifuge sur laquelle la goutte retombera au prochain rebond. Ce phénomène est entretenu car la fréquence de vibration du liquide et la fréquence de rebond de la goutte sont les mêmes (61 Hz). Ø Le rebond de la goutte sur le coussin d'air crée une onde visible à la surface du liquide (telle qu'on peut l'observer lorsqu'on jette un caillou dans l'eau). Cette onde prend donc la forme de creux (appelés ventres de vibration) et de bosses circulaires qui s’éloignent de la goutte. Vocabulaire seulement pour onde stationnaire ce qui n’apparait que sur l’axe reliant 2 gouttes 7
Quelques explications (II) Ø Il est possible dans certains cas que la goutte se déplace toute seule : ceci se produit lorsque la position du rebond est décalée par rapport à l'onde créée au rebond précédent (voir illustration). L'appellation de « gouttes marcheuses » vient donc de ces gouttes capables de se déplacer seules. Ø Mais cette expérience vous réserve nombre d'autres surprises, telles que les différentes figures formées par les gouttes "verrouillées" entre elles ou encore l'acceptation d'une goutte étrangère par un groupe au gré de son humeur. . . Gouttes marcheuses 8
Quelques explications (III) Ø L'explication du comportement plus ou moins grégaire des gouttes est relativement complexe et fait encore l'objet d'études. Cependant ce comportement se présente comme une illustration macroscopique de la dualité onde-corpuscule, autrement dit de l'interaction entre une particule et l'onde qu'elle crée. En effet, vous remarquez que les gouttes interagissent sans entrer en contact, comme si elles communiquaient à distance. En réalité, leurs ondes respectives entrent en contact et interfèrent, donnant à certains endroits des ondes stationnaires, ce qui peut conduire à un verrouillage de ces ondes entre elles (donc un verrouillage de la distance entre les gouttes concernées et la création d'un groupe de gouttes) ou au contraire à un rejet (les gouttes s'éloignent alors l'une de l'autre), ou encore à la disparition d'une des gouttes… Ø (voir biblio ci-dessous) Gouttes marcheuses 9
Arrêt de l’expérience 1) réduire l'amplitude de vibration du liquide à zéro et éteindre le contrôleur 2) arrêter l'ordinateur 3) mettre les gants et récupérer un maximum de liquide à l'aide de l'ensemble pipette et pro-pipette 4) essuyer les bords du récipient, la pipette, la table et tout matériel ayant été exposé à l'huile de silicone (liquide très "fuyant") puis jeter les consommables (papier, gants, etc. ) 6) éteindre les éclairages stroboscopiques si ce n'est pas fait 7) éteindre la multiprise Gouttes marcheuses 10
Si ça ne marche pas… Ø Pas d'image sur les caméras ou impossibilité de sélectionner une caméra : vérifier à l'arrière des caméras que la LED est bien verte (si éteinte : vérifier le branchement ; si rouge : fermer puis relancer le programme ou l'ordinateur si cela ne suffit pas) Ø Les gouttes disparaissent rapidement : la vibration du liquide est trop faible ou arrêtée, revenir au seuil de Faraday et réduire plus légèrement l'amplitude vibration Ø Les gouttes "glissent" toutes sur le même côté : le récipient est incliné, jouer sur les 3 vis de réglage du plateau en s'aidant du niveau. Ø Sur la caméra les petites gouttes ne sont pas stables et floues : réduire l’amplitude d’oscillations Ø… Gouttes marcheuses 11
Pour en savoir plus… Ø http: //www. csnsm. in 2 p 3. fr/IMG/pdf/couderboudaoudrefletsdelaphysique. pdf Ø http: //dotwave. org/ Ø https: //www. youtube. com/watch? v=YKvl 5 n. Zxb. Ow Gouttes marcheuses 12
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