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 mécaniques 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.
Tous 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 thermiques).
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 chaleur de la main) coûtent jusqu’à 500 €, mais les modèles de base sont disponibles à environ 30 € sur Amazon.
- voir mon article dédié : le moteur de Stirling miniature
Disque d’Euler
Quand un 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 totale 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).
Si le principe est assez simple en soi, ils ne sont pas donnés niveau prix : il faut compter une petite centaine d’euros (lien amazon).
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 davantage 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 20 euros.
- Voir aussi mon article dédié : Le radiomètre de Crookes
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.
On peut remarquer que si on laissait tomber deux billes au début, alors deux billes seront éjectées. Même chose avec 3 ou même 4 billes.
L’oiseau buveur
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 entre deux ampoules scellées mais reliées.
La tête de l’oiseau est recouverte d’une texture absorbante. Quand elle est gorgée d’eau, l’évaporation (qui est endothermique) a pour conséquence de refroidir a tête. Le fluide à l’intérieur, du chlorure de méthylène gazeux, se contracte alors et fait baisser la pression : le chlorure de méthylène liquide peut alors remonter. Lorsque la tête est remplie de liquide, elle devient plus lourde et l’oiseau bascule en position horizontale.
Dans cette position, le fluide peut redescendre en bas, faisant se redresser l’oiseau, et le cycle peut recommencer.
Le refroidissement est assuré par de l’eau qui absorbe la chaleur pour s’évaporer. Si on place un verre d’eau fraîche à l’endroit où se trouve la tête en position horizontale, l’oiseau basculera de façon périodique et continue tant qu’il y aura de l’eau dans le verre (et que l’air n’est pas saturé). Cet objet n’est vraiment pas cher et constitue un cadeau amusant et éducatif pour tout le monde.
- Voir aussi mon article dédié : L’oiseau buveur, un jouet thermodynamique
Le gyroscope
Encore un classique.
Le gyroscope vendu par Gyroscope.com est un gyroscope de précision. Vendu avec un petit moteur, il peut tourner à plus de 12 000 tours par minute.
Un gyroscope, comme tout objet en rotation, possède une caractéristique nommée le moment angulaire. C’est un peu son inertie de sens de rotation. Un objet qui tourne sur un axe vertical tend à vouloir conserver cette direction. Une toupie, par exemple, tourne debout et son moment angulaire fait qu’il reste debout.
Si l’on prend le gyroscope dans la main et qu’on souhaite modifier son orientation par la force, la conservation du moment angulaire produit une force qui s’oppose à la nôtre : c’est comme si le gyroscope refusait de se réorienter ! Avec ce gyroscope-là lancé à grande vitesse, l’effet est très impressionnant.
On peut aussi lui ajouter des poids et des tiges, qui permet de le suspendre. Là encore, la conservation du moment angulaire va agir et l’on peut observer des effets dits « gyroscopiques ». On croirait voir un tour de magie alors que ce n’est que de la mécanique physique !
Du Gallium
C’est un métal (photo d’en-tête), majoritairement produit en France (d’où le nom) qui a la particularité de fondre à 27 °C !
C’est parfait pour Halloween : si vous la moulez en cuillère, elle fondra dans une tasse d’eau chaude !
Ce métal fond par temps chaud en été, et même dans la main ! Si manipuler du mercure est dangereux, le gallium est probablement le seul autre métal que vous pouvez manipuler sous sa forme liquide.
Dans sa forme solide, les cristaux sont cubiques.
Note : attention par contre, tout comme la glace d’eau, quand ce métal liquide se durcit, son volume croit. Évitez de le stocker dans une fiole en verre, sinon ce dernier éclate (ça m’est arrivé…).
Veillez également à ne pas le mettre en contact avec de l’aluminium : le gallium diffuse dans l’aluminium comme l’eau dans une éponge ! L’alu s’en trouve fragilisé au point de s’effriter quand on le touche.
Le gallium est assez cher : comptez entre 500 et 1 000 € le kg, mais on peut en trouver (lien) en petites quantités pour des prix raisonnables, généralement par tube de 20 g ou 40 g pour quelques dizaines d’euros.
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
Cet appareil, à l’apparence calme et passive, est lui également rempli de science. Contrairement aux apparences, les fioles qui montent et qui descendent en fonction de la température ne changent pas de densité : elles sont de dimensions fixes. C’est le liquide partout autour qui change ! J’explique tout ça dans mon article dédié « le thermomètre de Galilée ».
À tel point 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 — très précises — permettent d’atteindre les densités voulues.
Bien que très classique, cet objet reste très beau surtout si les fioles sont colorées. Le nombre de boules colorées varie de 5 à 7/8. Naturellement, plus il y a de boules, meilleur est l’esthétique. Je vous recommande ce modèle (sur Amazon), à 7 boules pour une vingtaine d’euros.
Le baromètre de Fitzroy
Arfy me signale l’existence du baromètre de Fitzroy. C’est un contenant fermé en verre rempli d’un mélange d’eau-éthanol et contenant divers sels : salpêtre, camphre, chlorure d’ammonium, qui cristallisent à différentes températures. La forme des cristaux dépend de la vitesse de variation de la température.
La variation de température de l’air étant liée à la météo actuelle et à venir, la forme des cristaux est censée nous annoncer la météo. Cet objet a été popularisé au XIXᵉ siècle par Robert Fitzroy, amiral dans la marine britannique et météorologue, qui l’utilisait sur son vaisseau.
Il n’a en revanche jamais pu être prouvé que cet appareil indiquait correctement la météo : des tests plus rigoureux n’ont pas réussi à mettre en évidence une quelconque relation de cause à effet entre la forme des cristaux et le temps à venir.
Il reste que c’est un objet curieux dont la composition varie au fil des jours. On peut le placer à l’intérieur comme à l’extérieur (le mélange eau-éthanol résiste à des températures négatives) pour décorer. Cet objet a parfaitement sa place dans un univers de style steampunk ou antique. Jules Verne le mentionne d’ailleurs plusieurs fois dans son œuvre.
On peut le trouver sous différentes formes (globes, fioles, tubes…) sur Cadeau-Maestro ou ailleurs.
Autres liens
Cet article a été étendu et j’ai fait d’autres articles depuis :
- Gadgets/jouets scientifiques et éducatifs (2013) : l'article actuel ;
- 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) : la station météo Barigo, le baromètre de Goethe, l’éolipyle, le Space-Pen, le diamagnétisme du bismuth, le Moondrop et l’horloge Nixie.
- 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.
