Questions
Réponses

Quelle est l'explication pour les arcs-en ciel ?

J'en vois lorsqu'il pleut mais aussi souvent quand il y a des gouttes en suspension. Comment cela arrive-t-il ?

L'essentiel à savoir ?, le principe physique responsable du phénomène ?, Pourquoi obtient-on une bande multicolore ?, Pourquoi un "arc" ?

L'essentiel

Le soleil traverse des gouttelettes d'eau en suspension dans l'air grâce à un phénomène appelé réfraction : il s'agit d'un phénomène qui dévie les rayons de lumière lors d'un passage d'un milieu 1 (possédant un certain indice de réfraction 1) à un milieu 2 (possédant un autre indice de réfraction 2).

Arc-en-ciel près
d'une cascade

On peut assimiler ce phénomène à l'exemple suivant :

Imaginez que vous prenez un caddie sur le parking de votre supermarché.
Poussez le caddie vers une zone d'herbe mais ne mettez que 2 roues sur l'herbe et les deux autres sur le bitume.

Vous allez vous apercevoir que le caddie aura tendance à tourner vers l'herbe.
C'est tout simplement parce que les roues du côté bitume peuvent tourner plus facilement et rapidement que les roues dans l'herbe.

Quel est le principe physique responsable du phénomène ? Déployez

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Principe physique de base

Revenons à notre arc en ciel et détaillons le processus. La lumière frappe une gouttelette, la vitesse de la lumière dans l'eau (milieu 2) est inférieure à celle dans l'air (milieu 1), il y a donc une légère déviation.

Lorsque la lumière ressort de la gouttelette, une autre déviation a lieu et la lumière retrouve sa vitesse originelle.

Ainsi, lorsque la lumière frappe les gouttelettes d'eau au bon angle, elle est réfractée et nos yeux voient un magnifique arc-en-ciel.

Pourquoi obtient-t-on alors une bande multicolore ? Déployez

Bande multicolore

Vous savez sûrement que la lumière est composée de toutes les couleurs.

MYTHE : l'arc-en-ciel n'est pas composé de seulement 7 couleurs comme l'avait annoncée Newton. 7 était un chiffre un peu magique qui fait penser au nombre de notes en musiques (la gamme : do, ré etc.). En réalité, tout le spectre de fréquences est présent.

Cela signifie que TOUTES les couleurs sont présentes et la transition de l'une à l'autre se fait de manière continue. La boutique d'Imaginascience contient un objet original pour montrer cet effet : le pendentif mélangeur.

Chaque couleur (ou davantage : fréquence ou longueur d'onde) réfracte différemment (angle différent) quand il passe d'un milieu à un autre. Les longueurs d'onde les plus grandes sont déviées avec un plus grand angle : la composante rouge est la plus déviée du spectre visible (42 degrés). La moins déviée le violet (40 degrés). Toutes les autres couleurs sont comprises dans cet intervalle : 40-42 degrés et c'est pour cela que le rouge est toujours en haut de l'arc-en-ciel et le violet en bas.
Le résultat est que la lumière blanche peut être divisée en ces composantes.

Pourquoi un arc ? Déployez

Arc

Signalons que le principe en oeuvre est similaire à celui qui fonctionne dans le prisme (inventé par Newton).

En réalité, l'arc en ciel est un cercle complet mais la Terre l'empêche de boucler sur lui-même! Plus le soleil est proche de l'horizon, plus l'on voit un arc de cercle plus grand.

Il arrive parfois qu'un arc en ciel se produit alors que le soleil va se coucher est on voit quasiment un demi-cercle. Une gouttelette d'eau est quasiment sphérique et son effet sur la lumière incidente du soleil est symétrique par rapport à un axe imaginaire qui relie le soleil à la goutte.

En raison de cette symétrie, dés que l'oeil d'un observateur se trouve entre 40 et 42 degrés de cet axe, il voit l'arc en ciel.

FIN

L'avion que j'ai pris hier est passé dans un orage avec plein d'éclairs.

 Un éclair peut-il frapper l'avion et que se passera-t-il alors ?

L'essentiel à comprendre pour avoir moins peur en avion lors d'orages ?, Est-ce que les avions sont bien protégés ? Comment l'éclair se propage-t-il lors d'un impact ?

L'essentiel

Il arrive assez souvent en effet que les avions soient frappés par un éclair en plein vol comme en témoigne cette vidéo.

Foudre en
plein vol

Les constructeurs aéronautiques prennent donc garde de tester ce type de phénomène dans des laboratoires spéciaux avec des outils hautes tensions et d'attester de la sécurité en vol.

On estime qu'en moyenne chaque appareil est frappé d'un éclair plus d'une fois par an.

Les avions déclenchent souvent les éclairs lorsqu'ils volent à travers une région nuageuse chargée électriquement. Les petits avions privés sont supposés être moins frappé en raison de leur taille et parce qu'ils évitent plus souvent les nuages menaçants.

Il y a eu des crashs dus à la foudre. Le dernier en date aux USA est arrivé en 1967 : l'éclair a fait exploser le réservoir ! Depuis ce temps là, des techniques de protection efficaces ont été mises au point. Les avions d'aujourd'hui ne volent pas sans certification qui attestent de leur résistance aux éclairs.
Même si les passagers et l'équipage peuvent voir encore maintenant un éclair frapper l'avion avec le flash lumineux et le bruit intense qui s'ensuit, il ne devrait pas y avoir de problème.

Comment l' éclair se propage-t-il ? Quelle sécurité ? Déployez

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Propagation et sécurité

En général, l'éclair va arriver sur une des extrémités de l'avion, typiquement le bout d'aile ou le nez. L'avion devient alors le circuit électrique entre la pile que constitue le nuage et soit un autre nuage, soit le sol.

Le courant électrique de l'éclair va se propager le long des parties conductrices de l'extérieur du fuselage (en aluminium ou en composite intégrant un matériau conducteur ad hoc) et sortir à l'autre bout, souvent la queue de l'appareil.
Les pilotes rapportent dans ce cas des perturbations électroniques et de l'éclairage. Cela est dû aux effets indirects de l'éclair : le courant induit provoqué par son passage. Tous les circuits sont néanmoins protégés contre ces courants induits.

Le plus gros danger reste cependant qu'une étincelle aille faire exploser les réservoirs. Ces derniers ont dont une capacité à encaisser des brûlures et de nouveaux carburants sont moins explosifs.

Avant de terminer, voici une vidéo filmée à l'intérieur d'un avion de ligne qui traverse un orage. On peut voir par les vitres des manifestations électrostatiques puissantes (appelées "feux de Saint-Elme"). On peut lire aussi les échanges radio des pilotes pas forcément rassurés par l'intensité du phénomène.

A la pompe à essence, j'ai vu une affiche qui interdit d'utiliser son mobile.

  Y-a-t-il un danger d'explosion à la pompe ?

Le danger de l'electrostatique et son processus. Le mythe du téléphone portable qui fait exploser les pompes des stations essences /

Danger à la pompe

Aussi surprenant que cela paraisse, les gens ne se méfient pas assez du danger que représente une station service.

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En effet, on transvase un liquide inflammable d'un réservoir à un autre. Des vapeurs se forment alors (c'est ce que vous sentez quand vous remplissez votre voiture d'essence ou de gasoil). Ces vapeurs sont bien explosives.

Que leur faut-il pour exploser ?

Une flamme ou, plus courant, une étincelle. Les statistiques disent qu'il y a eu 243 feux déclarés en station service dans le monde entre 1993 et 2004.
Le plus gros danger est le remplissage de réservoirs plastiques à la main (comme pour le combustible de chauffage) : les vapeurs sont très importantes.

Les statistiques avouent aussi qu'il y a un mythe autour du téléphone portable qui auraient été responsables d'une partie de ces feux. En fait, aucune fois le téléphone portable n'a déclenché un incendie d'après les experts . Vous pouvez voir ce rapport (pop-up, en anglais)
Le plus souvent, ces feux se déclenchent lorsqu'une étincelle se produit entre l'utilisateur et le pistolet métallique.

Il faut une conjonction d'évènements le plus souvent.

• Un temps sec

• Des vêtements et/ou garnitures de siège qui se chargent facilement par frottement

• Une personne qui revient à la voiture pendant le remplissage et se frotte au siège

• La porte de la voiture est restée ouverte et la personne ne la touche pas en sortant

• Des chaussures isolantes

• Pas trop de chance …

Dans ce cas, il se peut qu'un différentiel électrostatique se manifeste chez l'utilisateur et lorsqu'il va toucher le pistolet : ZAP, BOUM !.

C'est exactement ce qui se produit sur la vidéo suivante où une femme (curieusement, les statistiques montrent que les femmes subissent plus que les hommes ce phénomène !). Elle a de la chance et du sang-froid mais il y a parfois des morts.

Pour en revenir à la question, les statistiques avouent aussi qu'il y a un mythe autour du téléphone portable qui auraient été responsables d'une partie de ces feux.
En fait, aucune fois le téléphone portable n'a déclenché un incendie d'après les experts .
Voici la source (pop-up en anglais) et un autre : rapport (pop-up, en anglais)
Cependant, les téléphones portables sont potentiellement susceptibles de déclencher des étincelles car ils comportent une batterie mais leur chaleur est insuffisante pour causer quoi ce soit (voir le rapport de l'essai de l'émission Mythbuster de Discovery Channel (pop-up, en anglais) .

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Est-ce qu'on pourra bientôt grimper aux murs comme Spiderman ou bien marcher sur l'eau ?  

Le lézard Gecko qui grimpe sur toutes les surfaces, le lézard Basilik qui marche sur l'eau et autres insectes qui se prennent pour Jesus Christ

Grimper aux murs

Gecko

Les ingénieurs peuvent s'inspirer des animaux et insectes pour découvrir de nouvelles capacités.
Il est vrai que pouvoir rapidement grimper sur les murs seraient extrêmement pratique tant pour les pompiers que pour les militaires bien sûr.

A propos de ces derniers, il y a longtemps qu'ils rêvent de pouvoir surprendre l'ennemi en grimpant sur les murs. Ainsi, une légende indienne du 17ième siècle disait que le raja Shivaji et ses soldats avait escaladé une falaise et gagné une bataille grâce à la surprise (voir cette page wikipedia sur Shivaji).

Un gecko mécanique (Stanford)

Mais est-ce que cette légende est crédible ?

Et bien plus que l'on croit si l'on pense au Gecko. Le gecko est un lézard que l'on retrouve un peu partout dans le monde et qui doit son nom à son cri
En effet, Gecko vient du malais Gekoq et est une onomatopée qui imite le cri entêtant et répétitif du lézard

Ce gecko peut grimper sur quasiment toutes les surfaces, même sous l'eau ou dans le vide et dans toutes les positions et peut très rapidement (15 millisecondes) détacher ses pattes. Par ailleurs, pas de vieillissement autre que celui du lézard même et qui plus est, les pattes sont autonettoyantes : c'est donc le rêve des fabricants d'adhésifs. A ce propos, il semble que l'on est en bonne voie de trouver un adhésif puissant et que l'on puisse décoller comme un Post-it si l'on en croit de récentes recherches récentes recherches (pop-up, en anglais)

Si la vidéo du court reportage de la BBC ne s'ouvre pas, réactualisez la page ou ouvrez celle-ci dans son format original (format Wmv, pop-up)

Le Gecko n'adhère cependant pas au Téflon de vos poëles au fait. Les chercheurs étudient donc toutes ses capacités et les méthodes qu'il emploie pour un tel résultat. Il s'avère que les pattes du Gecko sont couvertes de lamelles, elles mêmes constituées de très nombreux filaments (ou poils si l'on préfère) élastiques.

Reportage sur le Gecko

Les chercheurs ont isolé ce filament et réaliser des essais de traction (lien vidéo : vidéo en format Quicktime).

Et comment marcher sur l'eau ? Déployez

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Marcher sur l'eau

Un autre lézard très étonnant est le Basilisk qui vit en Amérique du Sud.

Il fait environ 50cm de long pour une masse de 90 grammes. Il fait un peu penser à un Tyrannosaure miniature. Sa spécificité est que, tout comme Jesus Christ, il peut marcher sur l'eau.
Sa marche sur l'eau a été étudié à l'aide de caméras rapides et on a reproduit celle-ci par des modèles en aluminium.

On a découvert que la frappe rapide du pied ne compte que pour un quart de la force nécessaire pour pouvoir courir sur l'eau : les 75 % restants sont permis grâce à la pression hydrostatique, tout simplement à une poche d'air compressée entre son pied et l'eau.

Impressionnant tout de même !

Les insectes qui marchent sur l'eau sont également très étudiés.

Vous pouvez voir de magnifiques images (pop-up)

Vous pouvez également assister à une conférence complète sur le sujet (en anglais, format MP4, visionnable avec Itunes)

Alors que les insectes se tiennent tranquilles à la surface de l'eau, les extrémités de leurs pattes créent de minuscules vallées visibles. En fait, ces insectes se servent de leurs pattes du milieu (sur les 3 paires) comme des rames, faisant en sorte que l'eau derrière ces pattes les propulsent vers l'avant car la surface de la vallée d'eau rebondit comme un trampoline.

Même si le mouvement créé de petites vagues qui ont été suspecté d'aider, ce n'est pas le cas en fait : la poussée ne se fait pas par des vagues en surfaces mais par des tourbillons juste sous la surface.

Il y a de nombreuses espèces de ces insectes rameurs et on voit que la Physique confirme que plus ces insectes sont gros, plus leurs pattes doivent être plus longues.

Le record vient du Vietnam : des pattes de 20 cm de long. Leur vitesse peut atteindre 1,5 m /sec.

Leurs pattes sont couvertes de fins poils qui leur permet de rester en surface. Cela est possible par effet de tension superficielle (pop-up, lien vers Wikipédia) de l'eau ; c'est le même effet qui pemet de faire tenir une aiguille ou du fil de fer sur la surface de l'eau si l'on se montre délicat.

Ils ont deux méthodes : soit une glisse qui les transportent lentement sur leur propre longueur, soit un saut qui les propulse dans les airs et vers l'avant.
Les chercheurs ont mis au point un insecte artificiel qui imite le mouvement des vrais : vous pouvez voir la vidéo de leur insecte artificiel (pop-up, format Avi)

Voilà, on a vu quelques exemples particuliers d'animaux et insectes qui peuvent réaliser des choses que l'on saura probablement prochainement imiter.

A quoi sert un gyroscope ?  

Introduction et historique, particularités étonnantes, en pratique et l'effet gyroscopique et le vélo

Introduction et historique

Les gyroscopes sont des machines fort simples et pourtant si mystérieuses. C'est une sorte de toupie améliorée. En effet, on fait tourner un disque autour d'un axe et on obtient un gyroscope.

Souvent les gyroscopes sont intégrés dans un cardan et c'est ce qui les différentie des toupies.
C'est Léon de Foucault qui a développé le concept et lui a donné le nom.

Anti-gravité ?

Le gyroscope galactique montré sur la vidéo est en vente dans la boutique d'imaginascience

Petit rappel des faits : Léon Foucault a mis au point au 19ième siècle le pendule qui porte son nom (voir mon dossier sur Coriolis) et qui permet de démontrer la rotation de la Terre (ce n'est pas Galilée qui a démontré cette rotation : la preuve formelle date de Foucault).

Seulement, un pendule demande une installation assez particulière et requière un haut plafond (sauf précautions opératoires assez difficiles). Il eut l'idée de construire un dispositif plus petit et il le nomma gyroscope car cela signifie en grec : "regarder la rotation"; (de la Terre). Un certain Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger, moins célèbre avait préalablement découvert l'effet gyroscopique.
Le gyroscope de Foucault de l'époque pouvait tourner pendant 10 minutes et c'était a priori (les versions ne s'accordent pas) suffisant pour constater une déviation de son orientation initiale en raison de la rotation de la Terre.

Quelles sont ses particularités ? Déployez

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Particularités

En effet, si l'on contrebalance l'effet de la gravitation par un contrepoids, on obtient une machine qui garde son orientation fixe dans l'espace.
Plutôt qu'un long discours, vous pouvez regarder la vidéo ci-contre : l'opérateur fait tourner la table (un modèle de notre planète en rotation en somme) et le gyroscope lui garde sa position initiale. CQFD !

On dit qu'il pointe vers les étoiles lointaines.

Il existe aussi une particularité extrêmement fascinante des gyroscopes : la précession. Si vous avez déjà regardé une toupie en rotation, vous avez constaté que l'axe de rotation fait des oscillations en cercle. Au fur et à mesure de l'influence de la gravité et de la baisse de vitesse de rotation, ce cercle va voir son diamètre grandir et la vitesse de rotation de l'extrémité de l'axe.

Et bien, poussez, disons vers le bas, l'axe du gyroscope. Vous allez voir que le mouvement du gyroscope ne va pas vers le bas mais perpendiculairement à l'orientation de la force !
S'il n'y a pas de gravitation, l'effet est net : c'est ce que vérifie dans l'espace le célèbre astronaute Buzz Aldrin d'Appolo 11 (avec un objet très simple : une galette en alu !).

Si la vidéo ne fonctionne pas, rechargez la page ou ouvrez la vidéo en format Wmv

La gravitation sur Terre fait que le Gyroscope va avoir tendance à aller à droite ou à gauche (selon le sens de rotation du gyroscope) et augmenter sa précession mais pas tomber directement. Cela a pour conséquence inattendue que vous pouvez soulevez facilement des gyroscopes très lourds du moment que vous leur permettez d'achever leur précession grâce à la rotation de votre bras (voir ces photos ).
Notez qu'en raison de cette propriété, certains et pas des moins scientifiques, y ont vu soit des machines anti-gravité, soit des phénomènes défiant les lois de Newton. Cela s'avère faux bien entendu car les équations décrivent bien l'effet gyroscopique à partir du concept d'inertie (pour ceux qui arrivent à les maîtriser).

J'ai rencontré une personne qui a construit un gyroscope amateur assez lourd (3kg au bas mot) et tournant à grande vitesse. Voici les vidéos qui décrivent différentes configurations.

On ne vas pas développer ici les équations et de nombreux sites et auteurs tentent de proposer une explication simple de ce phénomène déroutant.

Quelques liens externes complémentaires donc:

• Précession chez Wikipédia (en anglais)

• Fonctionnement du gyroscope chez Howstuffworks (en anglais)

• Explications du principe selon Feynman (en anglais)

• Un dernier lien (en anglais toujours) pour la route

Quelle est son utilisation en pratique ? Déployez

Introduction et historique

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GUIDAGE : En raison de leur propriété de stabilisation et de tenue de cap, ils sont utilisé pour le guidage des avions, bateaux et encore satellites . Ce sont des gyrocompas, beaucoup plus précis que les compas à aimants.
Note : on dit 'encore' car pour les bateaux et avions on a développé des gyromètres lasers qui fonctionnent par effet optique et par application de la relativité d'Einstein et pas par effet gyroscopique.

RESERVE d'ENERGIE : on a construit des prototypes de bus ou de trains avec de lourds volants mais plus proches de nous, je me rappelle encore d'un rasoir qui ressemblait à un rasoir électrique mais dont on devait lancer le gyroscope interne. Cela est parfaitement écologique mais reste justement l'effet gyroscopique qui rend imprécis et désagréables les mouvements!
Voir le rasoir à énergie gyroscopique
On a aussi tenté de les inclure dans les navires contre le roulis mais il y avait des contre-indications.

Où peut-on en trouver ?

Dans certains appareils, comme des machines à café ou des sèche-cheveux professionnels vous pouvez sentir cet effet gyroscopique. A part cela, des jouets et autres curiosités scientifiques de la boutique d'Imaginascience vous permettront d'explorer l'effet gyroscopique

• Le gyroscope plastique

• Le gyroscope métal

• Le gyroscope air

• Le gyroscope galactique

• Le gyroscope de luxe

• Le gyro de luxe sur cardan

• Le levitron (qui ne peut fonctionner que par stabilisation gyroscopique)

Et à propos de l'effet gyroscopique qui nous permet de faire du vélo. Est-ce vrai ? Déployez

Effet Gyroscopique et vélo

De nombreux professeurs expliquent que l'effet gyroscopique permet de faire tenir le vélo lorsqu'ils effectuent la fameuse démonstration de la rotation sur une plateforme en inclinant une roue de vélo.

Voici par exemple la réponse d'un professeur (en anglais)

En effet, ces, roues de démonstrations sont souvent alourdies aux niveaux des pneus et ce n'est pas si lourd sur les vélos classiques.

Ainsi, une autre université spécialisée dans l'étude de la mécanique des vélos répond par la négative. Pour le montrer, ils ont trouvé un moyen très simple : ils ont construit un prototype et placés 2 roues supplémentaires qui tournent à contre-sens (et ne servent qu'à cela).
Dans ce cas, il est manifeste que l'effet gyroscopique est annulé. Vous pouvez le vérifier avec cette vidéo où l'on place d'abord une roue en rotation, puis deux : vidéo sur l'annulation de la rotation gyroscopique avec deux roues tournant en sens inverse.

Et pourtant, ils constatent que le vélo peut très bien être utilisé normalement. Cette vidéo montre l'étonnante stabilité de roues de vélos et du vélo lui-même (13 Megas, format Mpg).

On va s'arrêter là pour ce sujet mais vous pouvez creuser avec cette page. ou ce document. (PDF, en anglais) ou cette vid&eactute;o de vulgarisation :

Est-ce vrai que l'on peut casser un verre en chantant ?  

Petit rappel sur la résonance, intensité sonore
et truquage possible

Ca caaassse !

C'est en effet un show connu et étonnant de voir un chanteur doué faire éclater un verre. On peut voir ici une première vidéo où un chanteur arrive à briser ce verre.

Le phénomène sous-jacent, s'il n'y a pas de triche, est la résonance et Imaginascience y a consacré un dossier tellement cela est fondamental dans de nombreux domaines (même au niveau atomique) et fascinant. Le génial inventeur américain Tesla avait pour habitude de comparer la résonance avec la poussée d'un enfant sur une balançoire : il suffit de pousser un tout petit peu mais au bon moment pour que l'enfant monte de plus en plus haut relativement facilement.

Pour en voir la puissance, il suffit de pousser à bout un des produits de la boutique : la barre chantante permet d'atteindre un incroyable niveau sonore sur une fréquence pure.

Revenons au sujet. Pour faire éclater un objet en le mettant en résonance, il suffit en théorie de le faire vibrer à sa fréquence fondamentale de résonance.
Un verre à pied en verre demande par contre une grande énergie pour être briser comme en atteste cette étude anglaise où l'on a brisé un verre grâce à des enceintes. Il est donc peu probable d'y arriver. Un verre en cristal, dont les bords sont fins peut par contre facilement se déformer à la résonance (modes de déformations) et si l'intensité est suffisante tout en faisant en sorte que la voix du chanteur excite cette fréquence, il est effectivement très probable que le verre se brise.

L'effet doit cependant ne pas être à la portée de tout le monde et il est facile de tricher. Ainsi, sur la vidéo japonaise ci-contre, on suspecte qu'il s'agit d'une supercherie.

En effet, le support du verre peut être truqué . Il se vend ainsi un article de magie sous la forme d'une table ou d'un jeu de carte qui comporte un minuscule marteau actionné par un ressort puissant et dont la mise en route est programmée à l'aide d une minuterie. Il suffit de poser le verre à l'envers sur ce support au bon endroit et d'attendre que le marteau frappe.

Alors, peut-on casser un verre en chantant ?

En prenant d'abord comme cible un verre en cristal aux bords très fin et aussi de très haute qualité (donc cher) qui aura un amortissement très faible.

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Si de plus le chanteur est doué pour non seulement pousser la voix (nécessaire pour lutter contre l'amortissement) et de plus sur une plage de fréquence qui couvre la principale fréquence de résonance du verre (il suffit de le frapper gentiment avec une fourchette pour l'entendre ; on pourra verifier par la même occasion le faible amortissement si le son dure très longtemps), cela reste dans le domaine du possible.
C'est pour cela que la première vidéo et pas la seconde (la japonaise) est crédible : la personne met la bouche très près du verre afin de communiquer le maximum dB ( décibels). D'ailleurs, la première vidéo est le fruit d'une expérience qui voulait vérifier s'il s'agissait d'un mythe ou non (expérience pour une émission de la télé américaine de Discovery Channel : Mythbuster). Vous pouvez voir les détails de cette expérience (556 Hz, 20 essais, et105 decibels) .
Tricher ou le faire en laboratoire avec du matériel adapté restent quand même plus aisées à mettre en oeuvre !

Si vous avez aimé cette question - réponse, vous aimerez aussi notre dossier sur la résonance.

Avant de continuer votre surf, une expérience et vidéo (Quicktime)

Une autre au passage.

Allez, une dernière vidéo pour la route.

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On peut geler de l'eau chaude plus vite que l'eau froide ? 

Historique de la découverte de l'effet Mpemba et petites explications de ce phénomène

INTRODUCTION

Cette question a l'air évidente : tant notre intuition que les lois de la thermodynamique nous indiquent que l'eau chaude gèlera moins vite que de l'eau froide une fois placé dans notre freezer. La loi de Newton sur le refroidissement dit bien que la rapidité avec laquelle un corps se refroidit est proportionnelle à la différence de température entre l'objet et son environnement.

Seulement, il est vrai que l'on constate expérimentalement que l'eau chaude gèle en effet parfois plus rapidement que l'eau froide.

HISTORIQUE

Même si tant Aristote que Réné Descartes ont tous affirmé que l'eau chaude gèle d'abord, la théorie thermodynamique semblait contredire ce fait.
Or, il s'est trouvé en 1963 un élève du secondaire en Tanzanie qui n'était pas bien au courant des déclarations des théories de la Physique actuelle et qui voulait réaliser de la crème glacée pour son projet scolaire. Il fit bouillir du lait et au lieu de laisser refroidir avant de le mettre dans le réfrigérateur, le mettait encore tout chaud dans le freezer. Il constata alors qu'il gelait plus rapidement que les mélanges froids.

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Bien d'autres personnes ont par la suite aussi affirmé cet effet Mpemba en réalisant leurs propres expériences. De nombreux scientifiques ont néanmoins des difficultés à admettre un tel résultat. Le gros problème est que cet effet n'est pas automatique et est même difficile à reproduire en laboratoire. Cet effet est pourtant bien réel mais cela concerne certaines configurations et les explication sont difficiles à trouver.

Ce phénomène a permis de soulever un point heuristique intéressant : les scientifiques sont plus réticents à admettre l'existence de l'effet que des non scientifiques puisque ces premiers savent les raisons pour lesquels cet effet ne devraient pas exister selon la physique classique.

Pour l'anecdote, l'étudiant Mpemba a découvert l'existence de la théorie de Newton après son expérience et a demandé à son professeur comment il pouvait réconcilier les deux.
Le professeur lui a répondu :

C'est de la Physique de Mpemba et pas de la physique universelle .

Heureusement, Mpemba n'a pas été découragé par cette réponse sentencieuse et a poursuivi ses propres expériences. Il a soumis ensuite son travail à un physicien réputé, Osborne de l'université Dares Salaam qui a demandé à son technicien de répéter l'expérience plusieurs fois: la confirmation des résultats fit qu'il a publié un rapport sur son travail avec Mpemba. Curieusement, un autre physicien d'une université canadienne a constaté le même phénomène.
Ensuite, de nombreux témoignages ont rapporté des faits empiriques curieux : il ne faut pas laver sa voiture à l'eau chaude l'hiver car elle gèle plus rapidement ou qu'il valait mieux utiliser de l'eau chaude pour les patinoires etc.

Comment expliquer le phénomène ? Déployez

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EXPLICATIONS

En fait l'expérience est difficile à reproduire tant que l'on ne s'accorde pas sur la déclaration ; dire que l'eau chaude gèle plus rapidement est maladroit. Il faudrait dire qu' :

Note : la vidéo ci-contre est une petite expérience de lancement d'eau chaude dans une atmosphère très froide (On n' a pas la réponse quant au fait qu'elle gélerait en l'air ou non)

Il existe de nombreux paramètres qui peuvent influencer la rapidité de gélification : les plus évidents sont les volumes de liquides et la taille des conteneurs, puis la température du freezer.
Il faut aussi se demander à quel moment parle-ton de gélification. Est-ce lorsque les premiers cristaux apparaissent ou lorsque le corps tout entier est gelé ? Ces deux états sont difficiles à observer, surtout dans un réfrigérateur.

Voilà tous les paramètres qui font que l'effet Mpemba reste un peu un mystère même si chacun y va de sa théorie

• EVAPORATION

  L'explication la plus probable est que l'eau chaude va s'évaporer plus rapidement que l'eau froide et son volume va donc décliner par rapport à l'eau froide. Ce plus petit volume final expliquerait cette gélification plus rapide. Reste que l'on a mesuré cette évaporation et que cela ne rend pas compte de tout l'effet !

• GAZ DISSOUS

  Une autre possibilité est que le processus serait affecté par le gaz dissous. Un liquide chaud contient en général moins de gaz dissous qu'un gaz froid et les bulles permettent aux cristaux de mieux s'installer autour d'elles. Vérifier cela demande des conditions opératoires délicates.

• CONVECTION

  Au fur et à mesure que l'eau chaude refroidit, il va se développer des courants de convection à l'intérieur du liquide : il existe alors une distribution non uniforme de la température. Pour la plupart des plages de températures, la densité décroît avec l'accroissement de la température : l'eau à la surface est alors plus chaude qu'au fond. L'eau perd le plus de chaleur à travers sa surface et le taux de perte sera plus important qu'avec une distribution uniforme. Cela a bien été constaté par les expériences mais il n'a pa pu être déterminé que c'était l'explication véritable.

• AUTRES

  On a trouvé d'autres explications mais elles ne pourraient a priori souvent expliquer le phénomène que partiellement. Il s'agit du supercooling (le fait que l'eau ne gèle pas toujours à 0 degrés) et l'influence de l'environnement (interaction avec le caisson de refroidissement).
  Il existe aussi une autre explication : le hasard ! En effet, la nucléation de la glace dépend du nombre de molécules d'eau qui doivent se regrouper en nombre suffisant pour former le coeur du cristal de glace qui peut ensuite grandir indéfiniment. Sans trop rentrer dans les détails, il faut savoir que les impuretés comme la poussière peuvent modifier le moment d'apparition des cristaux. Il se trouve un moment où l'eau peut très bien avoir une température en dessous de zero et être encore liquide.

Des chercheurs se sont rendus compte que si les cristaux apparaissaient plus tôt pour l'eau chaude, pour l'eau froide par contre, une fois apparus, ces cristaux se développaient plus rapidement et dans d'autres occasions, cette caractéristique s'inversait: un vrai casse-tête pour estimer qui sera le vainqueur !

En conclusion, plus on creuse, plus le phénomène, bien réel, est difficile à appréhender. Il faut donc attendre des études complémentaires et vous voyez ainsi que tout n'est pas découvert en sciences. Il n'est pas besoin d'un accélérateur de particule pour être intrigué : un simple réfrigérateur suffit !

Pourquoi les chats ronronnent ? 

Mais oui au fait, pourquoi donc les chats ronronnent-ils ? Vous allez voir que le ronron prends soin du matou.

Ron-Ron du chat

L'évolution a privilégié ce type de comportement car ce dernier faisait preuve d'un avantage sélectif sur les chats qui ne ronronnaient pas. Tous les espèces de félidés produisent une vocalisation qui ressemble au ron-ron.
Vous avez peut-être remarqué que les chats ronronnent préférentiellement quand ils s'occupent de leurs petits ou lorsque les humains amènent un contact social par les caresses ou l'apport de nourriture.

Même si l'on suppose au départ à partir de cette précédente constatation que la manifestation de ce bruit est l'expression d'un plaisir ou d'un moyen de communication entre une chatte mère et ses petits, il est possible que les raisons soient trouvées dans les moments les plus stressant durant leur vie.
En fait, on s'en rend moins compte mais les chats ronronnent souvent lorsqu'ils sont très stressés ou malades voire mourants !

Les chercheurs n'ont donc pas complètement élucidé de manière formelle aujourd'hui pourquoi les chats ronronnent. Certains pensent que c'est un mécanisme pour se déstresser et d'autres que cela pourrait communiquer aux autres chats qu'ils ne représentent pas une menace.

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On a quand même trouvé que les chats produisent le ronronnement à travers des signaux intermittents des muscles du larynx et du diaphragme. Le ronronnement est produit tant à l'inspiration qu'à l'expiration avec une fréquence sonore comprise entre 25 et 150 Hz (dépend du chat et de son humeur…). Certains croient qu'en raison de ces fréquences, le ronronnement pourrait accroître la densité osseuse (ce qui pourrait aider nos astronautes qui ont du mal à garder leur capital osseux durant leur séjour dans l'espace) et avoir des effets de guérison !

Vous savez probablement qu'un chat dort davantage que nous (15 à 18h au lieu de 8 pour les humains) souvent par petits épisodes tout au long de la journée. Le ronronnement permettrait de stimuler os et muscles pendant ces longues périodes d'inactivité.

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