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Depuis quelques mois, j’ai fait l’acquisition de divers gadgets scientifiques. Ce sont des jouets ou des objets de décorations, mais avec beaucoup de science cachée dedans.

Ce que j’admire dans ces choses, c’est que certains ont plusieurs siècles, sont entièrement mécanique et fonctionnent sans piles. Ce sont des gadgets qu’il est toujours sympa d’avoir quelque part chez soi (oui, la science peut vous faire oublier votre addiction à votre smartphone !)

Voici quelques-uns de ces objets, avec les explications qui vont avec, naturellement.
Tout ceux que je présente ici n’a besoin ni de piles ni de source de courant et sont totalement propres à l’usage.

Le mini moteur de Stirling

Placé sur une surface chaude, comme une tasse de café ou un radiateur, ce moteur se met à tourner.
La clé du phénomène réside dans la différence de température entre la face supérieure et la face inférieure : c’est le transfert de chaleur qui va engendrer dilatations et compressions des gaz à l’intérieur puis un mouvement cyclique des pistons (comme dans tous les moteurs thermique).

Les phénomènes physiques mis en jeu sont l’équivalence travaille-chaleur et la loi des gaz parfaits.

On en trouve sur le net assez facilement. Certains très sensibles (tournent avec la la chaleur de la main) coûtent jusqu’à 500 €, mais les modèles de base sont disponible à moins de 30 € sur eBay.

Disque d’Euler

Quand on pièce tombe sur une surface lisse, elle fait du bruit en tournant durant un petit moment. Imaginez un disque qui tourne comme ça pendant plusieurs minutes… Le disque d’Euler est un de ces objets.

Ici, c’est l’effet gyroscopique qui l’empêche de tomber. Normalement un objet en rotation tend à rester orienté toujours dans le même sens (par conservation du moment angulaire). Ici, la force de gravité poussant le disque vers le bas, l’effet gyroscopique se manifeste par une force tournée à 90°, donc horizontalement. Résultat, le disque ne tombe pas mais son axe tourne. La direction de chute est donc sans cesse décalée et la chute est ralentie.

En l’absence total de frottements solides et fluides (de l’air), il tournerait indéfiniment.

La forme du disque, ses finitions, ainsi que sa masse et sa taille, importantes, font que le disque d’Euler tourne particulièrement longtemps, et de plus en plus vite (d’où le son de plus en plus aigu qui est produit).

Radiomètre de Crookes

Ce petit moulin placé dans une enceinte de quasi-vide se met à tourner quand on l’éclaire. Certains le nomment l’éolienne solaire.

L’explication réside dans le fait que chaque pale à un côté noirci et un côté argenté : le côté noirci absorbe d’avantage la lumière, chauffe plus et réchauffe donc aussi le peu de gaz situé de son côté. Par suite, le gaz plus chaud d’un côté se détend et exerce une pression plus grande sur la face noircie, d’où une mise en rotation de l’hélice (parfois jusqu’à 450 tours par minute)

Il est marrant de constater que seule la lumière chaude (soleil, bougie, ampoule à incandescence) fait tourner l’hélice : une source de lumière froide (tube fluorescent, DEL) ne fonctionnent pas.
Ces trucs sont trouvables pour moins de 5€ sur eBay.

Pendule de Newton

Un grand classique : la quantité de mouvement d’une bille est intégralement transmise à la bille opposée, sans mettre en mouvement les billes intermédiaires.
Évidemment, les pertes et les frottements finiront pas arrêter l’ensemble au bout de quelques secondes.

L’oiseau d’Einstein

Tout comme le moteur de Stirling un peu plus haut, cet objet bascule de façon continue grâce à une différence de température et un fluide qui se déplace.

C’est la différence de température entre l’ampoule en haut et l’ampoule en bas qui génère un mouvement périodique. Chauffé à la base, le liquide (du chlorure de méthylène) s’évapore partiellement et se détend, poussant le liquide vers le haut où l’oiseau passe dans un état de déséquilibre. En haut, l’ampoule refroidie liquéfie le gaz qui coule en bas et c’est reparti pour un tour !
Le refroidissement est assuré par de l’eau qui absorbe la chaleur pour s’évaporer.

Le gyroscope

Encore un classique.

Tout objet en rotation possède une grandeur nommée « moment angulaire ». Sa représentation est un vecteur qui tend à rester constant en intensité et en direction : le gyroscope en rotation tendra donc à conserver sa position la plus longtemps possible, et restera donc debout sans tomber.

Du Gallium

C’est un métal, majoritairement produit en France (d’où le nom) qui a la particularité de fondre à 30°C.
C’est parfait pour Halloween : si vous la moulez en cuillère, elle fondra dans une tasse d’eau chaude !
En revanche c’est assez cher (comptez entre 500 et 1000€ le kg).

La toupie lévitron®

C’est une toupie avec un aimant flottant au dessus d’un socle lui aussi aimanté. Les deux champs magnétiques se repoussent. Pour éviter que la toupie ne se retourne et se trouve dans une configuration où elle est attirée vers le socle, il faut qu’elle tourne : la conservation du moment angulaire l’empêche de se retourner.
Celui là est un jouet plutôt cher (80€ pour certains), et il est bien possible de les fabriquer soi même avec des aimants puissants. La clé étant un équilibre parfait entre le poids de la toupie, l’attraction des aimants et l’axe de la rotation : tous doivent être parfaitement alignés, et c’est pour ça qu’il faut parfois de la patience (comme sur la vidéo du lien) pour y arriver.

Le thermomètre de Galilée

Encore un classique, mais là aussi il y a de la science contenu dedans : le liquide transparent dans le tube a une densité variant avec la température. Les fioles colorées, elles, sont de densités fixes (elles ne se dilatent pas car fermées), différentes est ajustées.

Leur ajustement est telle que la fiole étiquetée à 20°C a la même densité que le liquide autour à une température de 20°C. Ainsi, à 21°C, la densité du liquide diminue, la fiole coule. À 23°C, c’est la fiole étiquetée à 22°C qui coule, et ainsi de suite. En refroidissant, l’augmentation de la densité permet aux fioles de remonter une à unes. La température se lit donc en regardant sur la dernière fiole en bas, ou celle qui est justement en train de tomber ou monter.

Les fioles contiennent un mélange d’eau-éthanol dont les dosages permettent d’atteindre les densités voulues.

Le baromètre de Fitzroy

Arfy me signale l’existence ce cet objet. C’est un tube rempli d’un mélange d’eau-éthanol et contenant divers sels (salpètre, chlorure d’amonium…) qui cristallisent à différentes températures. La forme de cristallisation dépend également de la vitesse de variation de la température (comme pour l’acier : si on le trempe il est amorphe et plus solide).
Il n’a en revanche jamais pu être prouvé que cet appareil indiquait correctement la météo.

17 commentaires

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cidja a dit :

Félicitations pour ce site Internet il est super intéressant. J'ai trouvé ces inventions très sympa, bonne continuation. J'ai hâte de lire de nouveaux articles.

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qwerty a dit :

AAH, noël c'est dans trop longtemps pour profiter de ça ! Merci pour ces jouets, certains sont sympas ! Ou s'extrait le gallium plus précisément ? Et sous forme de minerai ?

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tmos a dit :

Très intéressant !
Quelques fautes :
Certains le nomment l’éolienne solaire
cet objet bascule de façon continue

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Le Hollandais Volant a dit :

@Arfy : je ne le connaissais pas celui là. Par contre la page Wiki dit que c'est impossible de détecter des différences de pressions, l'ampoule étant scellée et en verre.
Ce seraient les differences de température et la vitesse de variation des température qui forme les cristaux.

Par contre je connais le thermomètre de Galilée. Je vais les ajouter tous les deux :-)

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Le Hollandais Volant a dit :

@qwerty : Wiki me dit qu’il n’est pas disponible pur dans la nature, mais qu’il s’associe avec d’autres métaux et qu’on peut l’obtenir comme sous-produit à partir de minerais d’aluminium.

Après si tu veux savoir, il est utilisé en haute technologie dans l’arséniure de gallium pour produire les diode des lecteurs BluRay® ainsi que peut-être les puces informatiques de prochaine génération (il est plus puissant que ceux en silicium et permettrait des fréquences processeur de 250 GHz, ce qui est environ 50~100 fois plus rapide que les proc actuels).

On utilise aussi le gallium dans les bombes atomiques pour stabiliser le plutonium.

https://en.wikipedia.org/wiki/Gallium
http://fr.wikipedia.org/wiki/Arséniure_de_gallium

@tmos : Merci, c’est corrigé !

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qwerty a dit :

Et mise à part la pendule de Galilée et l'oiseau d'Einstein, lequel sont vraiment pas chère et qui peuvent impressionner nos amis (avec l'explication et la formule qui va bien ^^) ? Et lesquelles peuvent être fabriqué à bas coût ?

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Le Hollandais Volant a dit :

@qwerty : le moteur de stirling peut-être fait soi-même, y’a beaucoup d’exemples sur youtube et sur le net. Le lévitron aussi, si tu as des aimants de la bonne forme et de la bonne puissance.

Ceux qui sont sympas à voir c’est à mon avis le moteur : il tourne quand on le place sur une tasse de café ou de thé chaud, et le gyroscope : s’il est rotation rapide, la sensation de résistance qu’il donne quand on le prend dans la main est très impressionnante.

Après le Gallium je pense aussi (je n’en ai pas) : avoir un cube métallique et dire à l’audience que tu vas faire fondre ça dans ta main je pense que ça fait de l’effet :D.

Sinon y’a d’autres gadgets sympas, avec piles ou alimentation (que je n’ai pas listé ici). Le plus simple étant le fil de cuivre + pile + aimant : https://www.youtube.com/watch?v=zOdboRYf1hM

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Le Hollandais Volant a dit :

@Bleiddwn : tiens, à propos des powerball…
Je me demande ce qui se passe si on fait tourne le gyroscope qui se trouve dedans, et qu’on fait rouler la power-ball sur le sol…

Je pense qu’il devrait s’arrêter de façon net puis toupiller sur place (si on le fait rouler sur un axe qui n’est pas l’axe de rotation du gyroscope).

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Arfy a dit :

@Le Hollandais Volant : Pas tout à fait, parce que l'axe de rotation tourne aussi à haute vitesse.
Donc si tu le poses, je pense que la powerball va se mettre à faire des bons jusqu'à ce que la partie avec la boule qui tourne à l'intérieur touche le sol et que cela freine assez pour que ça s'arrête.
Je testerai au boulot, je ne l'ai pas là sous la main.


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