Avec la fête astronomique qu’est Noël qui approche et avec elle l’idée de rassembler les cadeaux, voici un nouvel article dans la série des gadgets et jouets scientifiques et éducatifs (oui, j’assume pleinement ma volonté de voir le monde s’offrir des cadeaux suscitant la curiosité et l’intérêt tout en célébrant la science^^).

Je m’étais fixé jusqu’à maintenant de présenter en priorité des objets fonctionnant de façon autonome, nécessitant ni alimentation ni piles. Cette année, j’ai décidé d’ajouter quelques gadgets qui fonctionne à pile ou se branchent sur le secteur ou sur USB. Pas parce qu’il me manque d’objets, mais parce que certains sont relativement chouettes aussi et il serait injuste de les ignorer.

La station météo Barigo

C’est une station météo entièrement mécanique affichant la pression, la température et l’humidité dans l’air. Son fonctionnement est classique pour ce type d’appareil, mais on peut toujours rappeler comment les différents capteurs fonctionnent.

Le baromètre, pour commencer. Ici, c’est un baromètre anéroïde : il ne fonctionne pas avec une colonne de liquide (contrairement aux baromètres à mercure ou à fluide). Il n’est pas électronique non plus.

À la place, on a une capsule creuse et étanche en alliage de cuivre-béryllium dans laquelle on a fait le vide. Un ressort métallique évite que la capsule n’implose. En variant, la pression atmosphérique comprime plus ou moins la capsule qui tire donc plus ou moins sur le ressort. Un impressionnant jeu de bielles, de tiges et d’engrenages transmet l’allongement du ressort à l’aiguille qui vous lit la pression.
Il est intéressant de voir que ce système est très précis : la variation dans la pression de l’air reste très faible : entre le beau temps et un avis de tempête, la variation de pression est de seulement 3 %. Le baromètre arrive à découper ça en 30 graduations, ce qui signifie qu’il détecte jusqu’à 0,1 % de variation dans la pression de l’air.

Le thermomètre, lui, est composé d’une spirale faite d’une lame bimétallique. Les deux métaux de la lame ont un coefficient de dilatation différent ce qui fait que la spirale se déroule plus ou moins sous l’effet de la chaleur. C’est le même principe que le bilame d’un vieux clignotant, qui se déformait sous l’effet de la chaleur d’un courant électrique, et qui permettait d’ouvrir et refermer alternativement le circuit. Dans le thermomètre, une aiguille reliée à l’extrémité mobile de la spirale permet de lire la température.

L’hygromètre, enfin, fonctionne avec un cheveu : le taux d’humidité dans l’air a pour effet de jouer sur la longueur du cheveux. Bien que cette variation n’est pas très précise, ceci constitue une solution simple et peu coûteuse pour mesurer l’humidité de l’air.
Pour des mesures plus précises, on préférera utiliser des hygromètres électroniques : ces derniers mesurent des paramètres comme la résistivité ou la capacité électrique de l’air, qui sont variables avec l’humidité.
Certains hygromètres mécaniques vont jusqu’à peser l’air : une capsule d’air sec est placée sur un balancier. L’air humide étant plus léger que l’air sec, si l’humidité de l’air augmente, grâce à la poussée d’Archimède, la capsule descend. Si l’humidité diminue, la poussée est plus forte et la capsule remonte. La force de cette poussée nous donne l’humidité.

On peut trouver cette merveille sur Amazon ou ailleurs (mais comptez ~200 €, c’est pas réellement un « jouet »).

Le baromètre de Goethe (ou de Nostradamus)

Un autre baromètre ! Contrairement au baromètre de Fitzroy qui lui ressemble (qui est joli mais n’indique pas le temps), ce baromètre, aussi appelé « baromètre Nostradamus », donne bien une indication sur la pression ambiante, et donc sur le temps qu’il va faire.

Il s’agit d’une ampoule partiellement remplie de liquide (le reste étant de l’air). L’ampoule se poursuit en bas par une cheminée, de telle sorte que cette dernière contient du liquide et soit isolée de l’air dans l’ampoule.

Quand la pression ambiante baisse, l’air exerce une pression plus faible sur la surface libre dans la cheminée. Les pressions exercée sur l’eau par l’air emprisonnée dans l’ampoule et par l’air ambiant vont s’équilibrer : l’air prisonnière va se détendre et l’eau va remonter de quelques centimètres dans la cheminée. Ainsi, quand l’eau dans la cheminée monte, ça veut dire que la pression ambiante a baissée : ceci annonce du mauvais temps. Si au contraire le niveau d’eau dans la cheminée est plus basse, alors la pression atmosphérique a monté et le temps s’annonce meilleur.

Malgré sa simplicité, ce baromètre fonctionne réellement, voulant dire par là qu’il compare véritablement une pression de référence (l’air dans l’ampoule) avec la pression atmosphérique ambiante.
Le seul problème est qu’il est également très sensible à la température, ce qui a tendance à fausser les mesures. Une petite astuce au passage : plus il a d’air dans la sphère (plus le ratio air/eau est grand), plus il sera sensible. Si votre baromètre a tendance à déborder même quand vous retirez de l’eau de la cheminée pour baisser le niveau, il faut plutôt rajouter de l’eau dans la sphère et l’incliner pour faire sortir de l’air. C’est l’air seul qui se dilate et déplace la surface d’eau.

Idem, on peut trouver le baromètre de Goethe un peu partout et sous différentes formes (voir ici pour une belle collection de photos).

Le mini-moteur à vapeur d’Héron d’Alexandrie, ou éolipyle

Cet objet est davantage là pour montrer comment transformer de l’énergie thermique en énergie mécanique. C'est un moteur à vapeur primitif, dont le principe date du premier siècle de notre ère.

Il s’agit d’une boule creuse que l’on remplit partiellement d’eau. La boule a deux petits orifices sur le côté, de telle sorte que la vapeur sortira de façon tangente à la boule. Cette dernière est suspendue et placée au-dessus d’un brûleur à alcool.

Lorsque l’on allume le brûleur, l’eau dans la boule chauffe puis bout. La vapeur produite sort sous pression par les deux orifices latéraux et entraîne la mise en rotation de la sphère. La rotation est assez rapide : jusqu’à ~5 000 tours par minute (mon record perso est 5721 tr/min)

Bien qu’étant par définition un « moteur à vapeur », l’éolipyle est peu efficace : le rendement est très faible et les pertes sont nombreuses. Néanmoins, si le système avait été perfectionné à l’époque de son invention, peut-être aurions-nous assisté à une révolution industrielle… 1 600 ans avant l’heure !
À la place, le système a été mis de côté et oublié. Il a fallu attendre le XVIIIe siècle pour voir apparaître les premiers moteurs à vapeur exploitables.

Ce modèle vient du site Gyroscope.com qui le vend pour une petite centaine d’euros. Ils ont aussi toute une collection d’autres appareils sympa comme ça.

Le Space Pen

Le fameux Space-Pen est un stylo qui permet d’écrire au plafond. Les stylos à bille normaux utilisent la gravité pour faire descendre l’encre sur la bille et donc sur la papier. Écrire à l’envers n’est donc pas possible. Écrire en situation d’apesanteur non plus et ceci posait problème pour la Nasa. Il était également hors de question d’utiliser un crayon, car le graphite, conducteur, s’effrite et risque d’encrasser l’électronique de bord.

Un stylo où la cartouche d’encre pressurisée fut donc mis au point par Fisher spécialement pour la NASA. L’un des problèmes de sa conception fut de créer une cartouche sous pression qui laissait l’encre sortir quand on écrivait, mais pas au repos (ce qui aurait provoqué des fuites). Ce tour de force a pu être réalisé grâce à une encre spéciale dite « thixotrope » : la bille tournante remuait localement l’encre et la fluidifiait, la permettant de sortir. Le phénomène de thixotropie est un cas particulier parmi les différents fluides non-newtoniens.

L’ensemble est expliqué dans mon article dédié : Le Space Pen, stylo anti-gravité.

On peut le trouver là encore sur Amazon ou sur d’autres sites, par exemple Stylo-Présent d’où vient le miens. Les prix démarrent à environ 25 €.

Une sculpture diamagnétique en bismuth

Les propriétés magnétiques du bismuth sont particulières : il est diamagnétique.

J’explique les différentes formes de magnétisme dans mon article différentier paramagnétisme, ferromagnétisme et diamagnétisme.

Pour résumer, le diamagnétisme est la propriété d’un matériau à produire un champ magnétique répulsif quand on le soumet à un aimant. Contrairement à un trombone ou un clou, dont le fer est ferromagnétique et qui est attiré sur l’aimant, les matériaux diamagnétiques sont repoussés de l’aimant. Le carbone pyrolithique et le bismuth sont des diamagnétiques courants. L’eau également : c’est ça qui fait qu’un corn-flakes est attiré par un aimant sur le lait (et rien d’autre !).

Dans cet objet étonnant, un bloc de bismuth est percé d’un trou et dans lequel on place un petit aimant. En réaction à la présence de l’aimant, le bismuth produit son propre champ magnétique, opposé à celui de l’aimant. Ce champ est suffisant pour repousser l’aimant et le faire flotter… indéfiniment :

C’est un objet curieux, défiant la gravité.
Et si la forme rectangulaire ne vous plaît pas, on peut lui donner celle que l’on veut. On trouve ainsi des petites sculptures d’un Bouddha qui fait léviter un aimant entre ses deux mains.

Pour donner une idée, la sculpture entière fait environ 12 cm et l’aimant est tout petit et fait 5 mm de côté. C’est donc petit, mais pas moins fascinant.

On peut le trouver sur Etsy (et pour la version Bouddha).

Moondrop

Vous avez envie de savoir comment tombe un corps sur la Lune ? ou encore sur Mars ?

Chaque planète a sa propre accélération de la pesanteur, qui dépend de sa masse. Sur Terre, on sait intuitivement à quelle vitesse un objet lâché va tomber par terre. Sur la Lune, par contre, l’accélération de la pesanteur est seulement 16 % celui de la Terre : les objets tombent donc moins rapidement. Lâchez une pomme depuis la surface de la Lune, et le fruit tombera nettement moins vite.

Ce fidget permet de simuler la vitesse de chute d’un objet sur la Lune, sur Mars et sur Terre (pris pour référence). La chute de l’anneau mobile est ralentie grâce à l’action d’un aimant (exactement comme la chute de l’aimant est ralentie dans le Feel Flux® de mon premier article). Plus l’aimant est puissant, plus il est ralenti dans sa chute. C’est comme ça que chacune des tours ici arrive à simuler la vitesse de chute d’un objet sur un astre différent.

En dehors de ça, c’est un objet joliment usiné qui fait aussi un bel objet de décoration pour votre bureau.

Le Moondrop est disponible sur son site web officiel : Moondrop.space (ou sur Amz, moins cher).

L’horloge à tube Nixie

Avant l’usage des afficheurs numériques 7 segments (déjà bien avant les écrans LCD ou oLED), pour afficher des chiffres lumineux, on utilisait des lampes spéciales avec 10 filaments, un pour chaque chiffre dont il avait la forme. Ces lampes portent le nom de « tube nixie ».

Les filaments étaient prisonniers dans une ampoule remplie de gaz (généralement du néon) et étaient soumis à une haute tension. Sous cet effet, le néon directement en contact avec le filament est ionisé et luit d’une couleur orange.
Il est important de noter que le filament, lui, reste froid : ce n’est pas comme dans une ampoule classique où il chauffe et brille grâce à sa température. Ici, c’est le néon qui brille à cause de la haute tension qui arrache des électrons du gaz. Ce principe est aussi celui des tubes néon et autres tubes fluorescents, même s’il reste ici localisé autour du filament, donnant ainsi l’illusion d’un chiffre lumineux.

La technologie des tubes nixie est désuète : les lampes sont grosses, fragiles, nécessitent autant de filaments que de symboles et ont besoin des hautes tensions. Ils reviennent un peu à la mode pour leur aspect et design rétro. L’une des applications est l’horloge nixie : l’heure est affichée avec ces ampoules-là. Il existe même des montres de poignet.
Les ampoules sont contrôlées par un circuit électronique moderne, qui active chacun des filaments de façon indépendante.

Fabriquer ce genre de tubes est relativement difficile, et ça explique le prix élevé de ces horloges. Beaucoup d’ampoules proviennent également de l’époque soviétique. Une bonne partie des boutiques qui fabriquent ces objets sont d’ailleurs situées en Russie ou en Ukraine.

Mon horloge vient de la boutique Nixie Shop sur Etsy. Ils sont les moins chers que j’ai pu trouver, et la qualité est très satisfaisante. D’autres boutiques, avec d’autres styles de socle et de prix existent aussi.

Enfin, rien n’oblige à avoir des filaments en forme de chiffres : il en existe avec d’autres symboles également.

Autres listes

Cet article est le troisième d’une série, que j’ai pris l’habitude d’allonger chaque année.

Les autres articles sont ici. N’hésitez pas à aller voir dedans pour des idées cadeaux sympa ou juste des objets de bureau pour décorer chez vous :

• Gadgets/jouets scientifiques et éducatifs (2013) : où je présente le moteur de Stirling, le disque d’Euler, le radiomètre de Crookes, le pendule de Newton, l’oiseau buveur, le gyroscope, du gallium, le Lévitron, le thermomètre de Galilée et le baromètre de Fitzroy ;
• Gadgets/jouets scientifiques et éducatifs (2) (2017) : le moteur de Mendocino, le Mova Globe, la valve de Tesla, le Feel-Flux, du tungstène et la pendule Atmos ;
• Gadgets/jouets scientifiques et éducatifs (3) (2018) : l’article actuel ;
• Gadgets/jouets scientifiques et éducatifs (4) (2019) : le Gömböc, les sphéricon et héxasphéricon, les solides de Reuleaux, le superœuf, le Cube 50|50 et l’anagyre.
• Gadgets/jouets scientifiques et éducatifs (5) (2020) : le verre qui disparaît, Element Blocks, le Hoverpen, Sparkit et la petite sculpture en tenségrité.