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Découvert en 1842, l'effet Doppler s'est imposé comme un outil d'investigation indispensable de la science moderne. Cet article détaille cinq activités adaptées à différents niveaux d'apprentissage, à réaliser en classe, chez soi ou en plein air, simplement équipés d'un smartphone ou d'une tablette. Nous fournirons également des conseils précis pour optimiser leur mise en œuvre. Ces expériences pratiques offrent une opportunité unique de saisir les applications concrètes de l'effet Doppler dans notre quotidien, ainsi que son rôle dans des domaines plus avancés tels que la détection d'exo-planètes. Table des matières : Un peu d'histoire - Etudier l'effet Doppler avec un smartphone - Mise en évidence de l'effet Doppler - Mesures Doppler à partir d'un enregistrement - Mesure de la vitesse d'un cycliste - Identification d'exo-planètes - Mesure de hauteur - Effet Doppler et battements acoustiques - Conclusion Un peu d'histoire ... En 1842, Christian Doppler, un physicien autrichien, a proposé une nouvelle théorie : la fréquence d'une onde (qu'elle soit sonore ou lumineuse) est affectée par le mouvement de la source par rapport à l'observateur. Ce décalage de fréquence est directement proportionnel à la vitesse : Δf = f.Vmobile/Vonde où Vmobile est la vitesse du mobile et Vonde est la vitesse de l'onde. Initialement, la théorie de Christian Doppler a été accueillie avec scepticisme. Cependant, une preuve irréfutable a été apportée bientôt par le météorologue Buys-Ballot : en 1845, il organise une expérience spectaculaire en plaçant des musiciens sur une plateforme d'un train lancé à la vitesse de 70 km/h et en leur faisant jouer une note constante. Chaque personne sur le trajet du train a pu constater le changement de fréquence des sons émis par l'orchestre lorsque le train passait devant elle, se persuadant ainsi que l'effet Doppler n'était pas une illusion. En élaborant sa théorie, Christian Doppler espérait expliquer les variations de couleur des étoiles par le changement de leur fréquence lumineuse dû à leur vitesse par rapport à la Terre. Nous savons aujourd'hui que la température des étoiles est le principal facteur de leur coloration. Cependant, il existe bien pour la lumière un effet Doppler relativiste, qui est une extension de l'effet Doppler classique, prenant en compte les effets de la relativité restreinte d'Einstein : en relativité restreinte, il faut considérer la dilatation temporelle et la contraction des longueurs (contraction de Lorentz), qui sont des conséquences de la théorie de la relativité. L'effet Doppler relativiste peut alors être décrit par les formules suivantes pour un objet s'éloignant de la source (Doppler rouge) : f' = f*[(1+β)/(1-β)]½ avec β = v/c, v vitesse relative et c vitesse de la lumière Aujourd'hui, l'effet Doppler est utilisé dans de nombreuses technologies, telles que le radar météorologique, l'imagerie médicale, ainsi que pour le contrôle et la sécurité. Il s'est révélé être un outil précieux pour les astronomes, leur permettant de comprendre les mouvements célestes et de découvrir de nouveaux objets comme les exoplanètes. Des humbles débuts dans le laboratoire de Doppler jusqu'aux observatoires modernes scrutant les profondeurs de l'espace, l'effet Doppler a façonné notre compréhension de l'univers, nous offrant des fenêtres sur le mouvement et la composition des corps célestes. Etudier l'effet Doppler avec un smartphone ? Si l'étude de l'effet Doppler pour la lumière se révèle difficile, voire impossible en dehors d'un laboratoire, chacun peut très facilement mettre en place des expériences montrant son effet sur les ondes sonores. Tout ce dont nous aurons besoin pour ces expériences est une source sonore et un fréquencemètre, deux instruments dont on dispose facilement avec un smartphone ou une tablette. Pour la source sonore, vous pourrez utiliser le haut-parleur de votre téléphone, ou mieux, une enceinte connectée, plus robuste et compacte. Il est plus facile pour l'analyse de travailler avec des sons purs et facilement identifiables. L'application FizziQ comprend un synthétiseur qui se trouve dans le menu Outils et que l'on peut connecter à une enceinte externe. Pour améliorer la précision, on préférera utiliser une fréquence élevée, supérieure à 1000 hertz, mais pas trop aiguë pour ne pas fatiguer ses tympans. Bien entendu, il faut ajuster le volume sonore pour qu'il soit confortable pour l'expérimentateur. Pour les mesures de fréquence, on utilisera le fréquencemètre de l'application FizziQ. Celui-ci utilise le microphone du smartphone ou de la tablette. Le microphone a été inventé par Emile Berliner en 1876. Les vibrations d'une membrane sont converties en signaux électriques qui peuvent être amplifiés, enregistrés ou transmis. Les microphones des smartphones sont extrêmement sensibles et analysent les ondes sonores en capturant près de 44 000 informations par seconde. Ces caractéristiques, associées à des puissances de calcul importantes des outils digitaux, permettent d'obtenir des données précises sur les formes et périodes des ondes sonores. A noter qu'avec l'application FizziQ on peut émettre un son pur et en même temps analyser les sons avec le microphone. Dans la majorité des cas on a donc besoin que de deux téléphones. FizziQ propose plusieurs mesures pour la fréquence d'une onde sonore : la fréquence fondamentale, qui est calculée dans FizziQ avec un algorithme de Yin ; la fréquence dominante, qui est la fréquence de plus grande intensité du spectre et qui est calculée par une transformation en série de Fourier ; et le spectre de fréquences, qui permet d'analyser des sons complexes. Un des problèmes fréquents que l'on rencontre lorsqu'on fait une manipulation sur l'effet Doppler est le bruit ambiant qui vient perturber les mesures. Ceci est particulièrement vrai quand on travaille en extérieur. Il faut donc privilégier un lieu calme comme une impasse ou un parking, et travailler avec des fréquences pures pour faciliter les mesures de fréquence. Sur le terrain, la tentation de procéder à des mesures directes est forte. Or les mesures sur le son sont délicates, particulièrement en extérieur et en groupe. Nous recommandons donc plutôt d'effectuer des enregistrements sonores pendant les expériences et de procéder à l'analyse de ces enregistrements ultérieurement, en laboratoire ou en classe. Cette approche permet non seulement de gagner du temps, d'ajuster les méthodes de mesure de manière optimale, mais aussi de faciliter le partage des données entre différents groupes, assurant ainsi une collaboration efficace et enrichissante. Enfin pour ceux qui vivent en ville, ou n'ont pas accès à des endroits calmes pour réaliser les expériences, on peut utiliser des fichiers sonores présents dans la bibliothèque de sons de l'application FizziQ ou disponibles sur internet. Cette utilisation présente également l'avantage de pouvoir faire des mesures reproductibles. On voit donc que grâce aux évolutions de la technologie, élèves, amateurs de sciences et enseignants ont à leur disposition des outils puissants pour aborder la question de l'effet Doppler. Passons maintenant aux expériences que l'on peut réaliser pour comprendre ce phénomène et ses applications. Mise en évidence de l'effet Doppler Notre première expérience consiste simplement à mettre en évidence le concept d'effet Doppler. Pour cela, rien de plus simple ! On télécharge l'application FizziQ sur un smartphone (ou toute autre application donnant accès à un synthétiseur de sons). Dans l'onglet Outil, on sélectionne le Synthétiseur et on génère un son pur d'une fréquence de 1000 hertz. On agite alors le smartphone devant nous par de grands mouvements de gauche à droite puis de droite à gauche. On entend clairement un décalage du son : du plus grave au plus aigu quand le smartphone se rapproche, puis plus grave quand il s'éloigne. On peut vérifier que l'effet Doppler est également présent si le détecteur bouge, plutôt que la source sonore. En agitant le smartphone récepteur, on constate de la même manière des décalages de fréquence. Finalement, on s'assurera que si les deux smartphones sont agités ensemble mais sans que l'un ne bouge par rapport à l'autre, l'effet Doppler est alors nul. C'est donc bien le mouvement relatif de la source par rapport au récepteur qui crée l'effet Doppler. Si on le souhaite, on peut réaliser une expérience plus spectaculaire : on place un smartphone dans un sac en plastique et on effectue des rotations à bout de bras avec le sac. Si on se place perpendiculairement à l'axe de rotation, on entendra clairement la différence de fréquence quand le sac se rapproche et quand il s'éloigne. En revanche, si on se place à quelques mètres exactement dans l'axe de rotation, on n'entendra pas de changement de fréquence car la vitesse du smartphone le long de cet axe est nulle si la rotation est uniforme. Finalement, mettons en évidence par la mesure le changement de fréquence que nous percevons à l'oreille. Pour cela, on utilise un deuxième smartphone sur lequel on a également installé l'application FizziQ. Sur ce deuxième smartphone, nous sélectionnons la Fréquence Dominante dans l'instrument Microphone, et on constate bien que la fréquence augmente quand la source se déplace vers le capteur et diminue quand elle s'éloigne. On a bien mis en évidence l'effet Doppler. Mesures Doppler à partir d'un enregistrement Etudier l'effet Doppler n'a jamais été aussi facile depuis l'avènement des outils digitaux. Il suffit de télécharger une application qui mesure les fréquences et de jouer sur un autre smartphone ou une enceinte connectée un fichier son contenant un enregistrement d'effet Doppler. En quelques minutes les élèves peuvent réaliser une première mesure et appliquer les formules théoriques apprises en cours. Il existe de nombreux fichiers disponibles sur internet. Les plus faciles à analyser sont ceux qui utilisent un mobile émettant un son pur. Si le son est complexe on utilisera la mesure de fréquence fondamentale ou un historique du spectre de fréquence. L'application FizziQ contient tout ce dont a besoin pour étudier l'effet Doppler : La bibliothèque de Sons du menu Outil offre le choix de deux sons différents d'effet Doppler : un mobile en déplacement émettant un son pur de 1000 hertz, et le son d'un pendule sonore. Pour faire les mesures de fréquence on utilisera la mesure de fréquence dominante ou la mesure de fréquence fondamentale dans l'onglet de Mesures. On enregistrera ces mesures sur la période de temps nécessaire. Dans FizziQ il est possible de faire à la fois la génération de sons et la mesure en même temps. on a donc besoin d'un seul smartphone pour faire l'analyse. Le cahier d'expérience permet d'analyser les graphiques et données, d'écrire du texte, d'ajouter des photos et de partager le cahier en PDF. Il est aussi intéressant d'exporter les données vers Excel. Grâce à la puissance des outils digitaux modernes, il est très facile pour les enseignants de mettre en pratique la théorie de l'effet Doppler en quelques minutes à l'issue du cours théorique. Cependant il est encore plus éducatif pour les élèves de faire leur propre fichier son, et cela est finalement plus simple à faire qu'on ne le pense ... Mesurer la vitesse d'un cycliste par effet Doppler Comment réaliser une expérience d'effet Doppler en grandeur nature ? Quelles sont les précautions que l'on doit prendre ? Quelles sont les meilleures activités ? Nous verrons que même si les expériences d'effet Doppler en grandeur nature peuvent être parfois difficiles à réaliser, avec un peu de persévérance on peut réaliser des mesures très intéressantes et le challenge de faire ces mesures a un grand intérêt pédagogique. Une expérience facile à réaliser utilise un vélo, une enceinte connectée et un smartphone. On fixe l'enceinte connectée à l'avant du vélo, et on émet sur cette enceinte un son pur par exemple de fréquence 1000 hertz généré par le synthétiseur de son de l'application fizziQ. Le cycliste roule alors à une vitesse constante et passe près d'un opérateur qui mesure la fréquence . Sur FizziQ, on enregistrera la fréquence durant le passage du vélo n appuyant sur le bouton REC. En mesurant la fréquence avant et après le passage du vélo, on déduit la fréquence moyenne et le décalage de fréquence, puis la vitesse du mobile. Pour vérifier les mesures effectuées, on pourra enregistrer également la vitesse GPS, soit avec un autre smartphone, soit par l'option de mesure double, mode Duo, une option qui se retrouve dans le menu Outils. Attention de bien sélection la fréquence comme premier instrument car c'est celui-ci qui dicte la fréquence d'acquisition. Comment réaliser cette expérience avec le maximum de chances que votre visite sur le terrain ne soit pas un échec ? Privilégier les environnements sans bruits extérieur et on utilisera un son pur pour l'émission. Un parc, une impasse ou un parking d'école pourront faire l'affaire. Plutôt que d'essayer de faire les mesures sur place, réalisez un enregistrement audio du passage du cycliste, fichier audio que l'on partagera et analysera en classe. Ainsi chacun pourra faire sa propre analyse. S'assurer que le haut parleur diffuse dans toutes les directions, pas juste devant, et faire attention au niveau de volume sonore qui représente un danger pour la santé. Certains élèves questionneront si ces mesures sont les même que celles faite par la gendarmerie pour mesurer les vitesses des voitures. Le radar Doppler fonctionne en émettant des ondes radio (ondes de longueurs d'onde très faible) vers les véhicules en mouvement sur la route. Lorsque ces ondes radio entrent en contact avec un véhicule en mouvement, elles sont réfléchies et reviennent vers le radar. En mesurant le changement de fréquence de ces ondes réfléchies par rapport à celles émises, l'effet Doppler permet au radar de déterminer la vitesse du véhicule ciblé. Identification d'exo-planètes La première exoplanète a été découverte par les astronomes Michel Mayor et Didier Queloz en 1995. Cette avancée a ouvert la voie à la recherche d'autres mondes au-delà de notre propre système solaire et plus de 5000 nouvelles planètes ont été identifiées à ce jour. Etant donné leur éloignement, il est impossible de les détecter visuellement mais on peut néanmoins détecter leur présence par la mesure. Il existe plusieurs méthodes pour la détection d'exo-planètes : la méthode des transits qui consiste à mesurer la diminution de la luminosité d'une étoile lorsque la planète passe devant elle, l'astrométrie qui mesure les petites oscillations d'une étoile mais nécessite une très grande précision dans les mesures, et les variations de vitesse des étoiles par mesure d'effet Doppler. Quand une planète orbite autour d'une étoile, la gravité fait en sorte que les deux corps exercent une attraction mutuelle. Même si l'étoile est bien plus massive et semble peu influencée par la planète, elle effectue en réalité un petit mouvement de va-et-vient autour d'un point commun, appelé centre de masse du système. Cet infime balancement stellaire se manifeste comme une oscillation régulière, synchronisée avec l'orbite de la planète. Cet effet, bien que subtil, entraîne des variations périodiques dans sa vitesse dans l'espace. Ces variations modifient légèrement la couleur (ou la longueur d'onde) de la lumière émise par l'étoile à cause de l'effet Doppler. En observant les raies spectrales de l'étoile, qui sont des lignes très précises dans son spectre lumineux caractéristiques de certains éléments chimiques, les astronomes peuvent détecter ces minuscules changements de couleur et calculer avec précision la vitesse radiale de l'étoile. L'amplitude des décalages donne également des indications sur la masse de la planète, car une planète plus massive induira un mouvement plus prononcé de l'étoile. De plus, en observant la périodicité de ce mouvement, on peut déduire la période orbitale de la planète, et, en appliquant les lois de la mécanique céleste, comme la troisième loi de Kepler et les principes de la gravitation universelle de Newton, les scientifiques peuvent déterminer des caractéristiques clés de l'exoplanète, telles que sa masse et la forme de son orbite. Pour comprendre ce phénomène on peut faire une expérience sur le son plutôt que sur la lumière. Dans cette expérience on étudie les variations de fréquence d'un pendule sonore en rotation. On place un smartphone réglé sur la mesure de la fréquence fondamentale (ou dominante) et à une distance d'un mètre on fait tourner un pendule composé d'une source sonore émettant un son pur de 1000 hertz. L'analyse de la fréquence permet d'obtenir deux informations qui vont nous renseigner sur le diamètre du cercle décrit par le pendule pesant. Cette expérience montre qu'à distance on peut connaître des informations précieuses sur les objets distants, à condition qu'ils suivent des lois physiques bien particulière. Ici, nous savons que le mobile décrit un cercle et donc la vitesse tangentielle et la période permettent de déduire le rayon du cercle parcouru. Dans le cas des exo-planètes, c'est la connaissance des lois de Newton qui permettra de déduire la masse et la distance à l'étoile. Pour en savoir plus on pourra consulter de TP sur l'étoile Pégase 51 : https://faculty.uca.edu/njaustin/PHYS1401/Laboratory/exoPlanet.pdf Mesure de hauteur par effet Doppler Peut-on connaître la hauteur d'un bâtiment grâce en utilisant l'effet Doppler ? Cette question rappellera sans doute l'anecdote à propos de Niels Bohr, alors étudiant, à qui l'on demandait comment mesurer la hauteur d'un immeuble à l'aide d'un baromètre. Confronté à cette question, le jeune Bohr imagina un catalogue de solutions, dont certaines étaient humoristiques en omettant à dessein la solution qu'attendait son professeur et qui utilisait la dépendance de la pression atmosphérique en fonction de l'altitude. Une solution consiste à faire tomber un appareil générant source sonore du haut du bâtiment et à mesurer au niveau du sol la fréquence du son. Par effet Doppler, en connaissant la fréquence de la source on déterminera la vitesse à l'atterrissage, et comme on connaît d'autre part la loi de la gravitation, on peut en déduire la hauteur du bâtiment. En effet h = 1/2.g.T² , Vmobile = g.T et d'autre part Δf = f.Vmobile/Vonde d'où h = (Δf.Vonde/f)² /(2.g) avec h, hauteur du bâtiment, T durée de la chute, Vmobile vitesse de l'objet en chute libre, g l'accelération de la pesanteur soit 9,81 m/s2 et Vonde la vitesse du son soit 340 m/s. Bien sûr il n'est pas question de lâcher un smartphone du haut d'un immeuble mais on peut faire l'expérience d'une hauteur de 2m en plaçant un coussin pour amortir le choc de la source sonore qui tombe. Cette source sonore peut être une petite enceinte connectée qui émet un son de 1000 hertz par exemple. Effet Doppler et battements acoustiques Nous avons vu que nous pouvions mesurer la vitesse d'un objet émettant on son et en mesurant sa fréquence, mais peut-on également mesurer cette vitesse si nous ne disposons pas d'un fréquencemètre ? Un outil intéressant que les musiciens ont utilisé depuis de nombreux siècles pour mesurer des petites décalage de fréquence est le phénomène de battement acoustique; concept que nous avons abordé dans un autre article : le battement acoustique. Un battement acoustique est une variation régulière de l'intensité sonore, facilement détectable à l'oreille, et qui se produit quand deux sons purs sont émis en même temps avec un faible décalage de fréquence. Si ce décalage est inférieur à 20 hertz, on entend à l'oreille les variations régulières et périodique dues aux interférences entre les deux ondes sonores. Pour des décalages supérieur on met le phénomène en évidence par une du niveau d'intensité sonore qui montre les variations périodiques d'intensité caractéristiques. Si nous considérons à présent un mobile en mouvement émettant un son pur d'une certaine fréquence f. Pour un observateur immobile l'onde est décalée d'une fréquence Δf due à l'effet Doppler. Pour des vitesses inférieures à 10 m/s, cette variation sera de l'ordre de quelques dizaines de hertz. Si en même temps cet émetteur émet un son de même fréquence f, les deux ondes vont interférer et créer un battement de fréquence Δf qui peut être mesuré grâce à la mesure de niveau sonore. On a donc un moyen de mesurer la fréquence du décalage Doppler, sans mesurer la fréquence du signal, mais en mesurant son intensité, résultat de l'interférence de deux sources sonores de même fréquence, l'une en mouvement et l'autre immobile. Réalisons ce montage avec un pendule sonore. Nous attaquons au bout d'un pendule une source sonore d'une certaine fréquence f. Nous plaçons ensuite une source sonore de même fréquence f que celle émise par le pendule sonore à côté du point le plus bas du pendule, au repos nous n'entendrons qu'une seule fréquence. Mais si le pendule oscille, du fait de l'effet Doppler le son émis par le pendule sera décalé en fonction de la vitesse du pendule par rapport à la source sonore, et un phénomène de battement apparaitra. La fréquence du battement sera maximale quand le pendule passe par son point le plus bas, et minimale (et nulle), à son point le plus haut quand la vitesse est nulle. On en déduit la vitesse maximale par effet Doppler Vmax = c/(T*f) avec c la vitesse du son, T la période du battement et f la fréquence utilisée. L'expérience a été réalisée avec une petite enceinte connectée comme mobile, une fréquence de 300 hertz, et l'utilisation d'un smartphone avec FizziQ à la fois comme source sonore fixe et comme outil de mesure de l'intensité sonore. Nous avons trouvé une vitesse 2,83 m/s. Comme il s'agit d'un pendule nous avons un moyen simple de vérifier ce résultat. En effet pour un pendule la vitesse maximale dépend de la hauteur h à laquelle le pendule est lâché. Par conservation de l'énergie mécanique en négligeant les frottements, la vitesse au point le plus bas est alors Vmax = (2*g*h)½, avec h la hauteur pour laquelle on lâche le mobile. Dans notre exemple la vitesse théorique est Vtheo = 2,8 m/s donc une valeur très proche de celle que nous avons calculé par la méthode du battement acoustique. La combinaison de l'effet Doppler et des battements acoustique a été popularisée par Ulysse Delabre qui l'a utilisée pour effectuer une estimation de la vitesse du son. les détails se trouvent sur cette video : https://www.canal-u.tv/chaines/univ-bordeaux/les-smartphones/18-les-smartphones-determination-de-la-vitesse-du-son-par Conclusion L'exploration de l'effet Doppler à travers l'utilisation de smartphones offre une perspective éducative riche en possibilités. Cette approche pédagogique permet d'aborder des concepts scientifiques complexes de manière pratique et interactive, tout en tirant parti de la technologie moderne. Les élèves peuvent ainsi développer leur compréhension des principes physiques fondamentaux tout en acquérant des compétences essentielles en observation, en mesure et en analyse de données. Cette approche éducative, en intégrant la technologie mobile omniprésente dans la vie quotidienne des élèves, offre également une occasion unique de susciter leur intérêt pour les sciences et de les encourager à envisager des carrières dans des domaines liés à la science, à la technologie, à l'ingénierie et aux mathématiques (STEM), mais également de leur ouvrir les yeux sur les technologies qui sont utilisées dans la vie de tous les jours.

Chers enseignants et partenaires scientifiques, C'est avec un enthousiasme particulier que nous vous annonçons les dernières évolutions de FizziQ, notre plateforme dédiée à l'enseignement dynamique des sciences. Ces améliorations sont le fruit de vos précieux retours et de notre engagement envers une éducation scientifique vivante et accessible. FizziQ "Cyan" sera disponible au début des vacances scolaires de fin d'année 2023. Pourquoi "FizziQ Cyan"? Cette mise à jour porte le nom de la couleur Cyan, choisie pour sa représentation de la modernité. Cette teinte, à mi-chemin entrer le bleu et le vert, incarne la tranquillité et la sérénité, rappelant la quiétude de l'eau et du ciel. En tant que couleur primaire en impression, Cyan est fondamental dans la création de nuances diverses, tandis que son rôle en optique comme complément du rouge offre un contraste captivant. Quelles nouveautés vous attendent avec FizziQ Cyan ? 🎨 Interface Visuelle Réinventée : La navigation dans FizziQ a été entièrement repensée pour offrir une expérience utilisateur encore plus fluide et engageante. La présentation sous forme d'icônes est conçue pour que vous et vos élèves puissiez accéder de façon intuitive et rapide aux instruments de mesure et outils de l'application. Nous espérons que vous aimerez cette nouvelle présentation plus claire et moins impressionnante pour les élèves. 📚 Accès Direct aux Activités : Nous avons transformé l'accès à notre riche catalogue d'activités. Oubliez les QR codes, désormais téléchargez directement plus de 50 activités adaptées à différents niveaux depuis l'application. Votre créativité est également la bienvenue : partagez avec nous vos propres protocoles pour enrichir notre communauté. 🎥 Vidéos Éducatives et Chronophotographies : Accédez instantanément à une bibliothèque enrichie de vidéos cinématiques et de chronophotographies directement depuis l'application. Tout en encourageant les élèves à créer leurs propres contenus pour une expérience d'apprentissage active, notre collection soigneusement sélectionnée est là pour compléter vos leçons, offrant des illustrations précieuses et des exemples concrets pour divers sujets étudiés. ⭐ Fonctionnalités 'Favoris' et 'État du Système' : Nous avons intégré deux nouvelles fonctionnalités pour améliorer votre expérience avec FizziQ. La fonction "Favoris" vous permet de marquer et d'accéder rapidement à vos instruments, activités, et ressources préférées, facilitant ainsi la personnalisation de votre enseignement. En parallèle, "État du Système" offre un aperçu des instruments de mesure disponibles et des autorisations. 📏 Mesures de Son et Magnétisme Avancées : Explorez de nouvelles possibilités avec des mesures de son et de magnétisme plus fines, permettant d'étudier des phénomènes complexes comme l'effet Doppler ou les variations du champ magnétique. 🔊 Synthétiseur de Son Étendu : Expérimentez avec une gamme de fréquences plus large, allant de 150 à 15 000 hertz, pour des leçons sur l'acuité auditive et bien plus encore. ⏱ Chronomètres Spécialisés : Simplifiez vos expériences avec des chronomètres dédiés aux études acoustiques et de mouvement, permettant une mise en pratique rapide et efficace des concepts étudiés. Votre engagement à utiliser FizziQ dans vos classes est pour nous une source d'inspiration constante. Nous sommes impatients de voir comment ces nouveautés enrichiront vos enseignements et susciteront encore plus la curiosité scientifique chez vos élèves. Bien cordialement, L'équipe FizziQ

Chez FizziQ, nous croyons fermement que l’expérimentation est au cœur de l’apprentissage scientifique. C’est cette conviction qui nous a motivés à lancer le projet FizziQ Connect , une solution qui rend l’expérimentation scientifique accessible, interactive, et passionnante, tant pour les enseignants que pour les élèves. En partenariat avec la Fondation La main à la pâte , nous voulons faire de FizziQ Connect un outil capable de répondre aux besoins des classes modernes tout en facilitant l'apprentissage des sciences par l’investigation. Notre Motivation : Rendre la Science Accessible L’un de nos objectifs principaux est de stimuler l’intérêt des élèves  pour les sciences en les engageant activement dans le processus d’expérimentation. Grâce à FizziQ Connect , les élèves peuvent explorer le monde autour d’eux en collectant et analysant des données réelles . Cela crée un lien tangible entre les concepts scientifiques théoriques et leur application pratique. Nous avons également cherché à créer un outil économique  et accessible à tous les établissements scolaires, même ceux disposant de budgets modestes. En combinant des briques technologiques éprouvées  et des capteurs du commerce, FizziQ Connect offre une polyvalence maximale  tout en restant abordable. Notre choix s'est porté sur la plateforme M5 Stack qyi répond à notre cahier des charges et offre un outil doté de multiples fonctionalités qui va nous permettre d'offrir un produit hors du commun. Un Outil Polyvalent pour la Science Nous voulons que FizziQ Connect  puisse se connecter une vaste gamme de capteurs interchangeables  (CO2, température, humidité, pression atmosphérique, etc.), offrant ainsi aux enseignants et aux élèves une grande liberté pour concevoir des expériences. Que ce soit en classe, au laboratoire ou sur le terrain, l'outil fonctionnera de manière autonome  grâce à sa batterie intégrée et se connecte facilement aux smartphones et tablettes  via Bluetooth. Cette portabilité facilite l'exploration scientifique dans des environnements variés. De plus, la compatibilité avec l'application FizziQ  enrichit l'expérience d’apprentissage. Les données recueillies peuvent être visualisées et analysées directement dans l'application, permettant aux élèves de créer des rapports scientifiques complets , incluant des graphiques et des annotations. Une Plateforme Ouverte et Non Propriétaire Contrairement à de nombreuses solutions d'ExAO (Expérimentation Assistée par Ordinateur), FizziQ Connect  reposera sur une architecture ouverte . Cela signifie que les enseignants ne sont pas limités à l’utilisation de capteurs ou logiciels propriétaires spécifiques. Au lieu de cela, FizziQ Connect sera compatible avec une vaste gamme de capteurs du commerce, facilement disponibles et interchangeables. Cette approche ouverte offre une flexibilité unique, permettant d’utiliser des capteurs de diverses marques, de les adapter aux besoins des élèves, ou même d’intégrer de nouveaux capteurs au fur et à mesure de leur apparition sur le marché.Cette liberté favorise l’innovation pédagogique, car les enseignants peuvent personnaliser leurs expériences en fonction des ressources disponibles, sans être contraints par des limitations matérielles ou logicielles. Un Prix Économique qui Ouvre de Nouvelles Possibilités FizziQ Connect a été conçu pour être une solution économique , permettant aux écoles de s’équiper à moindre coût. En utilisant des composants standard et des technologies éprouvées, nous avons réussi à réduire significativement le coût du dispositif, rendant ainsi l' apprentissage des sciences plus accessible à un plus grand nombre d'élèves. Cela permettra aux établissements d’acquérir plus de matériel , ce qui signifie que davantage d'élèves peuvent travailler simultanément avec des outils d’expérimentation, enrichissant ainsi leur expérience pratique. De plus, avec FizziQ Connect, il sera possible de travailler sur des classes entières , facilitant ainsi la tâche des enseignants qui n’ont plus besoin de diviser les élèves en petits groupes à cause d’un manque de matériel. Chaque élève peut bénéficier d'une expérience pratique, renforçant ainsi leur apprentissage et leur engagement. Des Fonctionnalités Innovantes et Adaptées La plateforme M5 Stack permet des possibilités particulièrement intéressantes pour rendre l'outil FizziQ Connect très innovant. FizziQ Connect ne se limitera pas à la simple collecte de données. Grâce à son menu intuitif , les utilisateurs peuvent facilement naviguer entre les capteurs, ajuster l’intervalle de mesure, activer le mode enregistrement, et bien plus encore. De plus, les données pourront être stockées localement  sur l’appareil, ce qui permet de réaliser des expériences même sans connexion à l’application. Ensuite, ces données peuvent être exportées  pour une analyse plus approfondie et l’élaboration de rapports. En plus de sa facilité d’utilisation, FizziQ Connect est équipé de fonctionnalités d’économie d’énergie  telles que le mode Auto-off et le réglage de la luminosité, garantissant ainsi une utilisation prolongée en classe ou sur le terrain. Finalement nous développerons une possibilité pour FizziQ Connect d'âtre facilement mise à jour par Wifi sans l'aide d'un ordinateur. Mobilité et Travail en Classe : Plus Besoin d’un Laboratoire L’un des autres grands avantages de FizziQ Connect sera sa portabilité . Contrairement aux équipements scientifiques traditionnels, qui nécessitent souvent un laboratoire dédié, FizziQ Connect peut être utilisé n'importe où . Avec sa batterie intégrée et sa connexion Bluetooth, l’appareil peut facilement être transporté entre la salle de classe et le terrain. Cela permet aux enseignants de mener des expériences directement en classe , sans avoir à dépendre d’un laboratoire spécifique. Les élèves peuvent ainsi réaliser des mesures dans leur environnement quotidien, que ce soit pour étudier les conditions atmosphériques à l'extérieur, observer la qualité de l'air ou explorer des phénomènes physiques. Cette mobilité enrichit l’apprentissage en le rendant plus contextuel et plus proche du réel. Conclusion FizziQ Connect incarne une approche moderne et innovante de l’apprentissage des sciences. Grâce à son architecture ouverte, son coût réduit et sa portabilité, il permet aux enseignants et élèves d’explorer les sciences de manière interactive et accessible. Que ce soit pour une utilisation en classe entière, des projets sur le terrain ou des expériences personnalisées, FizziQ Connect rend l’expérimentation scientifique plus facile, plus flexible et surtout plus passionnante. En donnant aux élèves la possibilité de manipuler eux-mêmes des capteurs et d’analyser des données réelles, nous espérons inspirer une nouvelle génération de scientifiques en herbe, tout en facilitant la tâche des enseignants.

Le sport n'est pas simplement une manifestation de force physique ou de talent naturel. C'est aussi une série complexe de mouvements, de réactions et de décisions, toutes influencées par les lois de la physique. En utilisant la technologie à notre portée, nous pouvons non seulement améliorer nos performances, mais aussi approfondir notre compréhension des principes scientifiques qui sous-tendent chaque mouvement, chaque saut, chaque coup. Alors, prêt à combiner votre passion pour le sport avec un peu de science? Attrapez votre smartphone et commençons l'exploration! Avant de commencer, un mot de précaution : les smartphones sont des appareils fragiles, on doit donc veiller à les sécuriser quand on les utilise comme appareils de mesure. Table des matières Les instruments de mesure - La course à pied - Le trampoline - Le saut à la perche - Le basket - Le lancer de disque - Le cyclisme - La boxe et les arts martiaux - Le plongeon - La pétanque - Le badminton - Le football - Les handisports - Conclusion Les instruments de mesure Pour réaliser les expériences décrites dans cet article, vous utiliserez les capteurs d'un smartphone ou d'une tablette. Ceux que nous utiliserons sont présents dans la plupart des appareils digitaux. Les données de ces capteurs peuvent être collectées grâce à des applications scientifiques disponibles sur les stores iOS ou Android. L'application gratuite FizziQ est parfaitement adapté à l'analyse des données pour les expériences que nous proposons. Le GPS : grâce à l'analyse de signaux venant de satellites, la puce GPS d'un smartphone permet de mesurer la vitesse, altitude et les distances. Ces informations sont utiles pour évaluer la performance des coureurs à pied ou sur un vélo, et identifier les facteurs qui influent sur leurs résultats. Le podomètre : le podomètre permet de mesurer la cadence d'une marche ou d'une course. Dans le cadre sportif, elle permet d'évaluer le rythme d'une course et sa régularité. L'accéléromètre : cet instrument permet de mesurer l'accélération linéaire et absolue. Elle fourni des informations précieuses pour analyser les sauts dans le cas du trampoline ou l'énergie des impacts dans le cas de la boxe. La caméra vidéo : utilisée avec un logiciel d'analyse de vidéo, elle permet de connaître la position dans le temps d'un objet ou d'une personne et d'en déduire la vitesse, l'accélération ou l'énergie. Les données recueillies donnent des informations qui permettent d'analyser les trajectoires au basket, la transformation de l'énergie dans le saut à la perche, la trajectoire d'un volant au badminton, la collision de boules de pétanque, l'effet Magnus pour le football, ou la position du centre de gravité lors d'un plongeon. Le gyroscope : ce capteur permet de connaître la vitesse de rotation du smartphone. Il peut être utilisé dans l'analyse de mouvements de rotation comme le lancer de disque ou de marteau. Le microphone : utilisé en conjonction avec un autre instrument comme l'accéléromètre, il permet de mesurer la vitesse de réaction des athlètes, par exemple au départ d'une course. Etudions à présent comment nous pouvons utiliser ces outils de mesure pour mieux comprendre différents sports. La course à pied La course à pied est probablement le sport que l’on peut étudier le plus facilement. Simple en apparence, elle est en réalité une danse complexe de biomécanique, de physiologie et de psychologie. Son étude permet d’aborder les thèmes de la performance, de la vitesse de réaction et de la physiologie du corps humain. Tout d’abord l’analyse de la performance. En mesurant la vitesse mesurée par le GPS ou le nombre de pas au cours du temps mesuré par le podomètre, on étudiera la vitesse de la course en fonction de la distance, sa régularité, la cadence des pas et leur longueur. En comparant ces paramètres pour différents coureurs on peut commencer à comprendre ce qui conditionne la performance de chacun. Un autre sujet d'intérêt concerne la séquence de départ pour la course. Ce moment essentiel peut être étudié en enregistrant simultanément le volume sonore qui mesurera le signal de départ, et la mesure de l’accélération qui mesurera la réaction du coureur (fonction Ecran Duo dans FizziQ). En comparant ces deux informations, on mesure la vitesse de réaction du coureur qui est le décalage entre le signal sonore et le mouvement de l'athlète. On peut comparer ce temps à celui d’autres athlètes. Une troisième analyse concerne les risques médicaux associés à la pratique de la course à pied. En utilisant l’accéléromètre on mesure la force de l’impact à chaque pas sur les jambes, qui est typiquement 5 à 10 fois le poids du coureur, soit 5 à 10 g. Cette constatation ouvre des discussions sur de nombreuses questions sur la physiologie du corps humain : est-il préférable pour la santé de courir pied nu ou avec des chaussures ? la pratique de ce sport à partir d'un certain âge est-elle recommandée ? Le trampoline Le trampoline, bien plus qu'un simple jeu d'enfants, est en réalité un terrain d'expérimentation sur la gravitation extrêmement intéressant. En utilisant l’accéléromètre on peut étudier de nombreux aspects du saut, notamment les rebonds et le vol. On a toujours un peu de mal à se représenter que durant la phase de vol, l'athlète est certes en chute libre, mais dans son référentiel il est également en apesanteur, comme l'a montré Einstein dans une expérience de pensée célèbre. Durant la phase de vol, l’accéléromètre affichera ainsi une accélération nulle, qui confirme que l’athlète est dans un état d’apesanteur. Le phénomène qui peut sembler fugace sur un trampoline, peut être évaluée avec précision : combien de temps un athlète passe-t-il réellement en état de chute libre ? Vérifie-t-on que l’accélération absolue est nulle ? A l'atterrissage, on pourra aborder d’autres questions : quelle est l’accélération lorsque l’athlète recontacte la toile, et comment cela influence-t-il le prochain saut ? quelle est l’amortissement si l’athlète ne fait aucune action ? Le saut à la perche Le saut à la perche, ce ballet aérien où l'homme cherche à déjouer la gravité, est une ode à la biomécanique humaine et aux lois de la physique. Derrière chaque envol, se cache une chorégraphie d'angles, de forces et de moments pivots, chacun jouant un rôle déterminant dans la quête de hauteur. Lors de la course, le système athlète-perche acquiert une certaine énergie cinétique. Cette énergie est transformée en énergie élastique de la perche après le planté et l’athlète prend son envol. Par un mouvement de balancement, le perchiste augmente encore l’énergie élastique. Lors de l'ascension la perche se détend et transforme l’énergie élastique en énergie potentielle de l’athlète. Durant la phase de retournement l’athlète continue de se hisser la tête en bas et passe la barre après une dernière poussée. Le saut à la perche est donc un mouvement très complexe et technique. Le meilleur outil pour étudier la mécanique du saut à la perche est l’analyse cinématique d’une vidéo ou d’une chronophotographie. On pourra filmer un ou une perchiste, ou utiliser une vidéo de la bibliothèque cinématique de FizziQ. Avec cet outil on pourra étudier comment durant chaque phase la transformation et l’apport d’énergie permet à l’athlète d’aller le plus haut possible. Par exemple : quel est l’apport de la course dans le gain de hauteur ? Quelle est l’énergie élastique emmagasinée dans la perche ? La poussée finale aide-t-elle l’athlète à aller plus haut ? Comment le mouvement de basculement permet-il de créer plus d’énergie élastique ? Pour aller plus loin, on trouvera dans cet article les détails des différentes séquences et le bilan énergétique que permet l’analyse cinématique. Le basket La parabole décrite par un ballon de basket lors d'un lancer franc est une illustration parfaite des lois de la physique qui peut être étudiée facilement avec la caméra d’un smartphone et le module d’analyse cinématique FizziQ. L’étude de la trajectoire est un exercice d'autant plus intéressant pour les élèves qu'ils peuvent réaliser leur propre vidéo à analyser et ainsi se confronter aux difficultés de la réalisation d'une bonne vidéo cinématique. Parmi les conseils qui feront une bonne vidéo, on s'assurera que le smartphone à une distance suffisante pour éviter les déformations dues au grand-angle. D'autre part, le plan doit rester fixe durant la durée de la vidéo. On utilisera une cadence de 30 ou 60 images par seconde. La hauteur du panier peut servir d’échelle. A partir de cette vidéo (ou d’une vidéo téléchargeable sur internet), on analyse alors la courbe du mouvement. On déterminera son équation qui est une parabole et ce calcul permettra pour les élèves de lycée de donner une estimation de l’accélération de la pesanteur g. Le lancer de disque Le lancer de disque est un exercice de transformation d'énergie qui nécessite une technique précise pour obtenir les meilleurs résultats. Lors de la phase de rotation, l'athlète accumule de l'énergie cinétique en utilisant la force de ses muscles et en exploitant la friction entre ses pieds et le sol. Cette énergie, acquise par la rotation du corps, est ensuite transmise au disque lors de la phase de lancement. L'un des éléments cruciaux de cette technique est la vitesse de rotation de l'athlète. Une rotation rapide permet de transférer plus d'énergie au disque, ce qui se traduit par un lancer plus long. Pour analyser le lancer, on pourra utiliser le gyroscope d’un smartphone attaché au bras de l’athlète. Les mesures permettront de déterminer la vitesse de rotation de l’athlète et ainsi donner une estimation de l’énergie cinétique du disque lors du lancer. La trajectoire d’un disque en rotation n’est pas une parabole et si le disque est envoyé avec un angle négatif par rapport à l’angle initial de la trajectoire, le disque peut aller beaucoup plus loin qu’un poids équivalent lancé à la même vitesse. On pourra essayer d’estimer la différence de trajectoire à partir de données accumulées sur le terrain. Le cyclisme Sport mécanique, le cyclisme permet d’aborder d’autres problématiques du sport, notamment les moyens de démultiplication de l’effort et les forces de résistance. Une première analyse concerne le fonctionnement du vélo et une partie importante : le changement de vitesse. Grâce à cette invention, le cycliste peut conserver une cadence de pédalage optimale quelque soit la vitesse du vélo. Il permet également d’appliquer des couples importants pour les côtes ou le démarrage. Pour mieux comprendre l’utilité du changement de vitesse, pourquoi ne pas faire l’analyse suivante ? On choisit une certaine distance (50 mètres par exemple) et on mesure le temps que met un cycliste à partir d’un départ arrêté pour atteindre cette marque le plus rapidement possible et on mesure également la vitesse atteinte grâce à la mesure GPS. Quel est le meilleur pignon ? Une deuxième analyse concerne les frottements. En effet, l’équation du cyclisme sur route plate est simple : l’apport d’énergie est dissipée en énergie de frottement, dont la principale à partir d’une certaine vitesse est le frottement de l’air, qui est proportionnel à la surface frontale. Pour étudier l’impact du frottement de l’air, on peut mesurer avec le GPS le ralentissement induit par différentes positions du cycliste : en position de course, ou debout sur les pédales. La boxe et les arts martiaux La boxe, un mélange de force, de technique et de stratégie, est également une illustration parfaite des lois de la physique en action, et notamment les lois sur la force et l'énergie. L'une des questions les plus courantes dans ce sport est : "Quelle est la puissance réelle d'un coup de poing ?". En fixant un smartphone équipé d'un accéléromètre sur un sac de frappe, on peut mesurer l'accélération subie par le sac lorsqu'il est frappé. Cette accélération, couplée à la masse du sac, permet de calculer la force du coup grâce à la deuxième loi de Newton (Force = masse x accélération). En outre, en connaissant la durée pendant laquelle cette force est appliquée, on peut estimer l'énergie du coup. Bien que cette méthode ne mesure pas directement la force du poing du boxeur, elle donne une indication précieuse de l'impact ressenti par un adversaire (ou, dans ce cas, par le sac). Dans le cas des arts martiaux, on peut également comparer l’impact d’un coup de poing et d’un coup de pied. Le plongeon Il est couramment admis qu'une balle lancée en l'air, en l'absence de frottements, suivra une trajectoire parabolique. Mais quand il s'agit d'une plongeuse réalisant un saut périlleux, la trajectoire du centre de gravité demeure-t-elle parabolique? Pour répondre à cette interrogation, une étude pratique peut être entreprise lors d’ une sortie à la piscine où l’on filme un athlète en plein plongeon. Pour ceux qui n'ont pas de piscine à proximité, il est possible de se référer à une vidéo de plongeuse disponible dans la bibliothèque de vidéos FizziQ. En exploitant la vidéo sur le module cinématique de FizziQ des pointages variés peuvent être réalisés. Dans une première analyse, on étudie le mouvement de différentes parties du corps comme par exemple la tête de la plongeuse, puis, dans une seconde, sur ses pieds. On constate que les courbes générées à partir de ces pointages diffèrent considérablement. Cependant, la mécanique nous assure que le centre de gravité d'un corps en chute libre, sans influence des frottements, décrit une parabole. Pour faire cette analyse, on peut essayer d’estimer sur chaque image la position du centre de gravité de l’athlète, et ainsi obtenir une trajectoire parabolique pour ce point. On peut également modéliser de manière plus précise le centre de gravité du plongeur en pointant chaque partie du corps, puis en exportant leurs coordonnées dans Excel et en appliquant les poids des tables de de Leva qui donne la répartition de la masse chez un humain. En utilisant cette méthode d'analyse fréquente chez les biomécaniciens, on vérifie alors que la trajectoire du centre de gravité est bien une parabole. La pétanque La pétanque offre un terrain de jeu très intéressant pour l'étude d’un phénomène que nous n’avions pas étudié précédemment : les collisions. En utilisant un smartphone, nous pouvons approfondir notre compréhension des interactions physiques qui se produisent lorsqu'une boule en heurte une autre. Une première analyse consiste à étudier par analyse vidéo le résultat d’un choc quand un joueur tire « au fer », c’est-à-dire quand la boule est lancée en l’air et qu’elle vient heurter la boule de l’adversaire avant de toucher le sol. On filmera cette séquence avec une cadence de 60 ou 120 images par seconde. En analysant la vidéo grâce aux outils d’analyse cinématique comme par exemple celui de l’application FizziQ, on pourra déterminer le coefficient de restitution lors d’un tir. Que peut-on en déduire sur la stratégie lors du tir "au fer" ? Une autre analyse consiste à mesurer la fréquence d’un son quand on frappe deux boules l’une contre l’autre. Cette fréquence varie-t-elle en fonction des boules ? les boules de meilleure qualité produisent-elles un son différent ? Le badminton Le badminton se distingue des autres sports de raquette grâce à son projectile spécifique : le volant. Sa forme unique entraîne une trajectoire distincte sans rebond, demandant aux joueurs d'anticiper ses mouvements. Le volant permet une variété de coups, des smashes rapides aux amortis subtils, favorisant des échanges tactiques. Cette spécificité exige des joueurs une grande condition physique pour se déplacer rapidement et une stratégie affinée pour déjouer l'adversaire. La trajectoire spécifique du volant de badminton peut être facilement étudiée par analyse vidéo. Si on ne dispose pas de lieu pour réaliser la capture, on peut utiliser une vidéo de la bibliothèque FizziQ. Il n’est pas possible de déterminer de manière formelle l’équation de la trajectoire mais on peut déterminer néanmoins trois phases distinctes . Une trajectoire initiale rapide : Juste après avoir été frappé, le volant voyage à une vitesse relativement élevée, ce qui peut donner l'impression d'une trajectoire presque linéaire sur une courte distance. Une décélération forte : En raison de sa forme et de sa construction, le volant décélère assez rapidement, lui donnant une trajectoire globale une forme globalement parabolique. Une chute pratiquement verticale : La fin de la trajectoire quand le volant est lancé très haut à les caractéristiques d’une chute verticale. Le football L'étude du lift ou de l'effet Magnus avec une balle de football est particulièrement intéressante, car elle met en évidence les principes de la mécanique des fluides en action dans le sport. Ce phénomène est souvent observé lorsqu'un footballeur donne un effet à la balle, lui faisant suivre une trajectoire courbée plutôt que droite. L'effet Magnus se produit lorsque la rotation de la balle crée une différence de pression d'un côté à l'autre, provoquant une force perpendiculaire à sa trajectoire. Pour étudier cet effet avec précision, une analyse vidéo est un outil puissant. En filmant le tir d'un footballeur sous différents angles, il est possible de suivre la trajectoire de la balle en temps réel. À l'aide d'un logiciel d'analyse cinématique comme FizziQ, on peut ensuite marquer la position de la balle image par image, permettant de visualiser sa trajectoire courbée et de mesurer l'ampleur de la courbure en fonction de la rotation initiale donnée à la balle. De plus, en comparant des tirs avec et sans rotation, on peut mieux comprendre l'influence de la rotation sur la trajectoire de la balle. Ainsi, l'utilisation de l'analyse vidéo dans l'étude du lift dans le football offre un moyen tangible d'explorer et de comprendre ce phénomène fascinant qui est au cœur de nombreux moments mémorables du sport. Le saut en longueur handisport Le saut en longueur handisport, avec l'utilisation de lames de carbone, présente un fascinant mélange de détermination humaine et de prouesses technologiques. Comme tous les autres handisports, il incarne la capacité d'adaptation face à l'adversité et offre un terrain unique pour étudier la biomécanique des mouvements. De plus, cette discipline soulève des questions importantes sur l'équité en sport, tout en servant de puissant symbole d'inclusion et d'inspiration. L'interaction entre l'athlète et la technologie moderne dans ce contexte spécifique suscite à la fois admiration et curiosité. Toutes les analyses que nous avons effectué auparavant sont possibles pour le handisport mais d’autres analyses peuvent également être réalisées et apporter un éclairage à la compréhension de ces sports. Par exemple, dans le cas du saut en longueur handisport avec “blades”, on peut étudier les questions suivantes : quelle est l'asymétrie qui est créée par l’utilisation de prothèses lors de la course et est-elle un handicap ? Comment la raideur d’une “blade” ou “lame” se compare-t-elle à celle d’une jambe valide ? L’angle de décollage est-il similaire entre un athlète handisport et non handisport ? Certaines de ces questions peuvent être étudiées grâce au smartphone, soit par mesure directe ou par analyse vidéo. Conclusion Au fil des années, la symbiose entre les sciences et le sport s'est renforcée, ouvrant la voie à des avancées remarquables dans la compréhension de la performance humaine. Les sciences, qu'elles soient physiques, biologiques ou sociales, apportent un éclairage précieux sur les mécanismes, les techniques et les stratégies qui permettent d'améliorer les performances sportives. Elles décortiquent, analysent et proposent des solutions innovantes pour repousser les limites de ce que le corps et l'esprit peuvent accomplir. Cependant, le sport n'est pas uniquement un terrain d'application pour les sciences ; il devient également un sujet d'étude passionnant en soi. À l'école et à l'université, l'analyse du sport, facilité par la disponibilité d’appareils de mesure digitaux que sont les smartphones, offre une opportunité unique d'aborder des concepts scientifiques de manière concrète et vivante, tout en stimulant la curiosité et l'enthousiasme des étudiants. L'arrivée prochaine des Jeux Olympiques à Paris met encore davantage en lumière cette interdépendance. Cet événement mondial est le théâtre de l'excellence sportive, où chaque fraction de seconde compte et où les innovations scientifiques peuvent faire la différence. Mais il est aussi un laboratoire à ciel ouvert pour les chercheurs, attirant l'attention sur l'importance de poursuivre les études interdisciplinaires entre sport et sciences. Références Prothèses tibiales de saut en longueur handisport - Jean BOUTEILLER, Pierre-Adrien BREARD, Paul FRAPART, Cyril VOISARD, Maxime VRAIN 5 expériences de biomécanique à faire avec un smartphone - Christophe Chazot LadhyX - Dossier presse Sciences2024 - Ecole Polytechnique

On peut voir la houle, onde mécanique qui se propage à la surface de l'eau; on peut également voir un tremblement de terre; mais peut-on voir une onde sonore ? Et que se passerait-il si cela était possible ? Nous verrons que cette question, simple en apparence, ouvre des scénarii pédagogiques passionnants pour utiliser la méthode d'investigation avec les élèves. 1. Qu'est-ce qu'un son ? Un son est une onde créée par un objet qui vibre dans un milieu comme l'air ou l'eau. Les mouvements de l'objet compriment puis détendent le milieu immédiat autour de l'objet, par exemple l'air, et ces variations de pression se propagent progressivement dans le reste du milieu sous la forme d'une onde sonore. Les ondes sonores sont caractérisées par leur fréquence, leur amplitude et leur timbre, qui déterminent les caractéristiques du son produit : La fréquence d'une onde sonore dépend de la vitesse à laquelle elle se propage dans le milieu matériel et de la distance parcourue entre deux pics consécutifs de l'onde. La fréquence détermine la hauteur perçue du son et peut être mesurée en Hertz (Hz). L'amplitude d'une onde sonore dépend de l'énergie qui a été transmise à la source du son. Plus l'énergie est grande, plus l'amplitude de l'onde sera importante. L'amplitude détermine la puissance perçue du son et peut être mesurée en décibels (dB). Le timbre décrit la complexité du son et sa périodicité. Un son pur contient une seule fréquence, un sons complexes plusieurs fréquences, un bruit est composé d'ondes des fréquences et d'amplitude aléatoires. Comme les autres ondes mécaniques, l'onde sonore n'engendre pas un déplacement de matière, mais une perturbation de celle-ci. Léonard de Vinci, le premier à avoir entrevu les mécanisme de la houle, fait cette analogie : "Ne voit-on pas au mois de mai courir par les campagnes les ondulations que fait le vent dans les blés, et pourtant les blés n'ont pas changé de place". 2. Peut-on voir un son ? L'expérience nous montre qu'on ne peut pas voir un son : que la musique soit forte ou pas, qu'une note soit aigüe ou grave, l'apparence visuelle du monde qui nous entoure ne change pas en fonction des sons qui sont émis autour de nous. Pour détecter un son il semble que nous ne puissions faire appel qu'à deux sens, celui de l'ouïe, et, pour les sons très graves ou très forts, et celui du toucher. Pourquoi ne peut-on pas voir un son ? On dit parfois que l'on ne peut voir un son car l'air est transparent. Cette explication est inadéquate. Ce n'est pas parce que l'air est transparent qu'on ne peut voir le son, mais parce que les caractéristiques de transmission de la lumière dans l'air varient très peu avec la pression (environ 0.025% pour un doublement de la pression atmosphérique). Comme l'onde sonore est une variation de la pression, on ne peut pas voir les effet du son sur le milieu quand elle le traverse puisque les caractéristiques optiques du milieu ne sont pas sensiblement affectées par son passage. Cela serait différent si, par exemple, l'indice de réfraction de l'air variait largement avec la pression, nous pourrions alors voir des déformations des rayons lumineux comme nous voyons la rupture d'un couteau dans un verre d'eau due à la différence d'indice de réfraction entre l'air et l'eau. Dans ce monde, chaque nouveau bruit entrainerait des déformations visuelles sous forme de vagues circulaires dont la source, la fréquence et l'intensité dépendrait des objets émetteurs, et qui interfèreraient les unes avec les autres ... Outre l'indice de réfraction, on peut imaginer que d'autres caractéristiques optiques pourraient être être également modifiées par les variations de pression du milieu, entrainant par exemple des variations de couleurs ou de luminosité. Traverser une rue passante deviendrait alors une vraie expérience psychédélique ! Admettons que les caractéristiques de transmission de la lumière dans l'air soient suffisamment sensibles à la pression, pourrions-nous quand même voir une onde sonore ? Pour qu'une onde sonore puisse qualifier au titre d'onde sonore, il faut qu'elle ait une fréquence suffisamment élevée pour que notre sens de l'ouïe soit capable de la percevoir. Or, pour être perçue par ce sens, l'onde sonore doit vibrer à au moins 20 oscillations par secondes, soit 20 hertz, ce qui est beaucoup plus rapide que la fréquence d'une vague (environ une oscillation toutes les 10 secondes) ou d'un tremblement de terre (plusieurs oscillations par secondes). La voix humaine "vibre" plutôt à 250-500 oscillations par secondes. Pourrait-on voir des variations du milieu à cette vitesse ? On mentionne souvent que la cadence d'acquisition des images de l'oeil est d'environ 20 images par secondes. En fait des chercheurs du MIT ont montré que quand un sujet pouvait anticiper un évènement, il était capable de reconnaître une image en seulement 13 millisecondes, ce qui correspond à une fréquence d'acquisition de 76 images par secondes. Cette cadence est largement inférieur à la fréquence habituelle d'un son et ce que nous pourrions au mieux détecter par la vision est un mouvement flou, un peu comme quand on regarde les vibrer cordes d'une guitare. On doit donc conclure que même si les caractéristiques du milieu dans laquelle évolue l'onde sonore pouvait en théorie la rendre visible, il ne serait néanmoins pas possible de la "voir" du fait de la rapidité du phénomène. On ne verrait probablement qu'un flou plus ou moins marqué autour des sources. 3. Comment voir un son Face à ces difficultés, les scientifiques ont développé plusieurs types d'approches pour voir un son et ainsi pouvoir mener leurs recherches sur les phénomènes acoustiques. Une première tentative nous vient de Galilée qui détecte l'apparition de motifs sur une plaque en vibration. C'est le physicien Ernst Chladni qui formalise à la fin du XVIII ème siècle le phénomène en utilisant des plaques de métal, sur lesquelles il faisait vibrer du sable avec un archet. La mathématicienne Sophie Germain quelques années plus tard donnera la première modélisation mathématique des figures de Chladni, travail pour lequel elle obtient le grand prix des sciences mathématiques en 1815. Les figures de Chladni permettent de visualiser l'emplacement des nœuds de vibration de la plaque excitée par une onde sonore et qui dépendent de la plaque et des fréquences utilisées. On peut étendre le concept de Galilée et Chladni en étudiant de nombreux effets du son, par exemple sur l'eau ou sur la peinture, un domaine de recherche que l'on appelle la "cymatique". Bien que l'effet soit visuellement très impressionnant, ces expériences ne permettent cependant pas à proprement parler de visualiser les ondes sonores. Pour visualiser effectivement les ondes sonores, il faut pouvoir mettre en évidence les variations des caractéristiques optiques du milieu quand il traversé par l'onde sonore. Nous avons vu que l'indice de réfraction de l'air présentait de très faibles variations quand la pression était modifiée. Comment amplifier ces variations pour les visualiser ? Une solution consiste à utiliser l'effet Schlieren qui permet d'isoler optiquement les déviations infimes des rayons lumineux qui traversent un milieu dues aux changement de son indice de réfraction. Cette méthode a été inventée par Léon Foucault au XIXème siècle (connu pour la démonstration du pendule au Panthéon) et perfectionnée par Auguste Toepler. En couplant un dispositif optique utilisant l'effet Schlieren à une caméra haute fréquence, et en émettant des sons de haute fréquence et de forte intensité, on arrive à visualiser les variations de pression de l'air et donc voir le son. Cette solution permet d'avoir une vision d'ensemble des perturbation créées par l'onde sonore. Une autre approche consiste à mesurer les variations de pression de l'air à un endroit donné avec un capteur spécifique : le microphone. Sous l'effet de la pression, la membrane du microphone bouge et génère des variations de tension dans un circuit électrique. En analysant ces variations avec un oscilloscope, on peut alors voir l'évolution dans le temps des variations de pression créées par l'onde sonore, à l'endroit du microphone. Contrairement à la méthode précédente on a pas une vision globale de l'onde à un instant t, mais son évolution dans le temps en un point précis. Jusqu'à récemment il était nécessaire d'aller dans un laboratoire pour faire ces mesures avec un oscilloscope mais avec les progrès de la technologie, un téléphone portable ou une tablette, suffisent pour voir le son. 4. Voir un son avec FizziQ Générons d'abord une onde sonore régulière avec un générateur de fréquence ou plus simplement avec le synthétiseur de son de l'application FizziQ. Appuyer sur l'onglet Outils, dans le bandeau du bas, puis Synthétiseur, et sélectionnez une fréquence, par exemple 600 Hz. La touche Play permet de jouer le son. Régler le volume pour qu'il soit suffisamment fort, mais pas trop fort pour ne pas vous gêner. Si vous avez un appareil Android, vous allez pouvoir analyser ce son directement avec le même smartphone dans l'application FizziQ. Si vous avez un appareil iOS il vous faudra un deuxième smartphone sur lequel sera installé FizziQ car les appareils Apple ne peuvent à la fois émettre un son et l'analyser. Sur l'appareil qui va analyser le son, vous appuyer sur l'onglet Mesures, puis dans le rond central pour sélectionner l'instrument Microphone, puis Amplitude. Cette mesure affiche un oscillogramme du son capturée à la fréquence de 44 000 Hertz, autrement dite elle capture les mouvements de la membrane du microphone toutes les 22 microsecondes ! Avec l'oscillogramme on va donc avoir une image très précise de la pression de l'air dans le temps à l'endroit du microphone. Visualisons cette onde sonore et étudions-la en appuyant sur le bouton rouge de capture de la mesure, puis dans le cahier nous pouvons étudier la courbe. On voit que l'on obtient une belle coupe sinusoïdale, typique d'un son pur qui fait résonner harmonieusement notre tympan. Pour en savoir plus, on pourra également consulter cette vidéo sur le son et ses caractéristiques : 5. Les formes d'une onde sonore On parle souvent de la forme d'une onde sonore mais ce que l'on mesure réellement est la courbe décrivant la pression en fonction du temps, comme on verrait la houle en coupe verticale. Chaque onde sonore présente différentes formes et caractéristiques que l'on peut étudier grâce à l'oscilloscope de FizziQ. Certains sons présentent de belles courbes sinusoïdales, et d’autres des courbes non sinusoïdales, mais périodiques, d’autres courbes enfin sont totalement irrégulières. Grâce aux sons de la bibliothèque de sons, il est facile de visualiser toute sorte de sons différents. Par exemple, comparons les courbes produites par trois sons : Le son d’un diapason La note la d’une flûte Le bruit d’une rue passante Comme le son du synthétiseur, le son du diapason lui aussi produit une courbe sinusoïdale. C'est un son pur, c'est-à-dire composé d'une seule fréquence. Ee son de la flûte est également périodique, c'est-à-dire que le motif se répète, mais ce n'est plus une sinusoïde. En fait ce son est composé de plusieurs fréquences qui s'additionne et créée une courbe plus complexe. On appelle ce son un son complexe harmonique. Harmonique car son motif se répète. On pourra étudier en détail les harmoniques avec l'analyse du spectre, un autre outil de FizziQ. Enfin étudions le bruit de la rue passante. Ce son lui n'est pas périodique, la courbe ne se répète pas et les pics semblent arriver de manière aléatoire. On appelle ce son un bruit pour indiquer qu'il n'est pas périodique et que les fréquences qui le compose sont aléatoire. 6. Conclusion Il n'est pas possible de voir le son, mais c'est justement ce qui en fait un terrain d'étude passionnant pour les élèves. Invisible, très rapide, le phénomène ne peut être étudié qu'avec le sens de l'ouïe, un instrument naturel très sophistiqué, ou un instrument scientifique. C'est donc une étude toujours particulière pour les élèves qui a une grande valeurs pédagogique pour l'apprentissage de la méthode scientifique. Jusqu'à présent ces phénomènes ne pouvaient être étudiés qu'en labo, mais grâce à des applications comme FizziQ, on peut conduire des démarches d'investigation très simplement et rapidement sur tout smartphone ou tablette, en classe ou en dehors de la classe. Une raison supplémentaire de réaliser des activités sur le son ! Pour des séances d'expérimentation en classe sur le son, nous avons rassemblé un grand nombre d'activités pour les classes et de collège et lycée.

Vous voulez étudier des chronophotographies en classe ? Cet article contient toutes les informations pour trouver des chronophotographies, analyser les mouvements avec FizziQ, et partager les données dans un tableur. Table de matières : La chronophotographie et la science - Quelles chronophotographies utiliser en classe ? Quels TPs réaliser avec la chronophotographie ? - Télécharger une photographie dans FizziQ - Analyser une chronophotographie - Utiliser le cahier d'expérience - Exporter les données - Pour en savoir plus La chronophotographie et la science Tout d'abord un peu d'histoire ! Trois photographes ont développé la technique de la chronophotographie, technique photographique qui consiste à capturer plusieurs images d'un objet en mouvement à intervalles réguliers de temps, puis à les assembler en une seule image. Ces artistes et scientifiques sont Étienne-Jules Marey, Eadweard Muybridge et Berenice Abbott. La chronophotographie a été inventée par le photographe français Étienne-Jules Marey au 19e siècle et a été largement utilisée pour analyser les mouvements des animaux, des humains et des objets mécaniques. Il a inventé le fusil photographique, un appareil capable de prendre plusieurs images en succession rapide sur une seule plaque photographique. Eadweard Muybridge est célèbre pour ses études sur le mouvement des animaux, en particulier pour sa série de photographies intitulée "Sallie Gardner at a Gallop". C'est notamment grâce à lui qu'à été mis fin à la controverse de savoir si les chevaux lèvent leurs quatre pattes du sol pendant certaines phases du galop. Son analyse a montré que c'était le cas et est la première fois que la photographie est utilisée pour résoudre un problème scientifique. Berenice Abbott était une photographe américaine célèbre pour ses photographies documentaires de la ville de New York dans les années 1930. Dans les années 1950 et 1960, Abbott a travaillé sur un projet appelé "Documenting Science", où elle a exploré diverses techniques photographiques pour illustrer les principes scientifiques et rendre la science plus accessible au grand public. Dans le cadre de ce projet, elle a utilisé des méthodes de photographie à haute vitesse et stroboscopiques pour capturer des images de phénomènes en mouvement rapide. Ces photographes ont montré l'apport que pouvait faire la chronophotographie pour l'étude et l'enseignement des sciences. Grace à leur travail, les enseignants ont à leur disposition les ressources pour faire découvrir à leurs élèves de nombreux aspects de la physique. Quelles chronophotographies utiliser en classe ? Idéalement il faudrait faire participer les élèves à la production des images. Malheureusement la production de chronophotographies par Photoshop ou autre est un processus long et il semble que l'application qui existait pour créer sa propre chronophotographie à partir d'un film n'est plus disponible. Si on souhaite faire participer sa classe à la production, il faut mieux se tourner vers l'analyse de vidéos cinématiques. Sur internet on trouve de belles chronophotographies parfaitement adaptées au travail en classe. On en trouve également sur les livres de sciences. On peut aussi utiliser des photographies anciennes qui sont amusantes pour les élèves. Sur la page https://www.fizziq.org/chronophotographies vous trouverez également de nombreuses chronophotographies à utiliser en classe. Astuce : si vous avez un document sur lequel est imprimé une chronophotographie et que vous souhaitez analyser cette image avec FizziQ, le plus facile est de prendre ce document en photo, et il pourra être utilisé directement dans l'application FizziQ. FizziQ permet d'étudier à peu près tout type de chronophotographie : un dessin, une image la pellicule photo, ou une chronophotographie disponible sur une adresse web ou sur fizziq.org. Toutes ces images peuvent être téléchargées dans l'application et nous décrirons dans la prochaine section comment faire. Pour qu'une chronophotographie soit utilisable et réaliser une analyse cinématique de qualité, il faut qu'elle ait plusieurs caractéristiques : L'échelle doit être facilement lisible La fréquence de capture des images doit être connue Les différentes positions de l'objet doivent être faciles à pointer avec précision (pas de flou ou de recouvrement) les position doivent être à (ou proche de) la même distance de l'objectif Nous avons publié 7 recommendations importantes quand on désire créer une vidéo pour la cinématique et ces remarques peuvent être également utiles en chronophotographie. Quels TPs réaliser avec la chronophotographie ? Une chronophotographie permet d'obtenir les informations suivantes sur le mouvement d'un objet ou d'une personne : les positions x et y, le vecteur vitesse, vecteur accélération, énergie cinétique et potentielle, l'angle et la vitesse de rotation. Ces informations permettent d'étudier pratiquement tous aspects des programmes de mécanique au collège et lycée : Mouvement uniforme : Vélo, personne marchant, balle lancée sur le sol. Etude de la trajectoire, calcul de vitesse. Chute libre : Objet en chute. Trajectoire, vitesse, accélération, calcul de g, calcul des vecteurs vitesse, frottements. Pendule simple : Analyse du mouvement oscillatoire d'un pendule simple. Conservation énergie mécanique, période et longueur de fil, amplitude, vitesse au point bas, calcul des vecteurs vitesse. Mouvement parabolique : Objet lancé en l'air. Etude de trajectoire parabolique, portée, hauteur maximale, durée de vol, conservation de l'énergie mécanique. Mouvement circulaire uniforme : Objet en mouvement circulaire uniforme, comme une bille attachée à un fil en rotation. Vitesse tangentielle. Mouvement d'un ressort : Analyse du mouvement d'un objet attaché à un ressort en oscillation verticale ou horizontale. Mesure de la période, l'amplitude et la constante de raideur du ressort. Frottement : Étude l'effet du frottement d'un volant de badminton ou d'un objet glissant sur une surface ou chute d'une goutte dans un liquide. Distance parcourue, vecteur vitesse coefficient de frottement. Collision : Etude de collision élastique et non élastique. Energie cinétique des deux objets, détermination dy type de collision. Ondes : Observez la propagation d'ondes à la surface de l'eau ou sur une corde tendue. Analyser la vitesse de propagation, la longueur d'onde et la fréquence des ondes. Mouvements complexes : mouvements d'athlètes comportant plusieurs séquences comme le saut à la perche. Energie, vitesse, accélération Centre d'inertie : Etude d'un objet lancé en rotation. détermination du centre d'inertie Sur le site fizziq.org vous trouverez de nombreux exemples de TPs à faire en classe au collège et au lycée. Télécharger une photographie dans FizziQ On accède au module cinématique dans l'application à partir de l'onglet Outil de l'application, puis Etude Cinématique. A partir du menu on peut étudier une vidéo ou une chronophotographie. On sélectionne Chronophotographie et on accède au menu de sélection de la photo. L'utilisateur peut télécharger : une image de la pellicule. En appuyant sur Mes Images il accède à sa bibliothèque et peut choisir toute image disponible une des images proposées dans l'application parmi celles de la chute libre, de la parabole ou du pendule une image disponible sur internet, soit venant de la bibliothèque du site fizziq.org, soit provenant d'une adresse dans laquelle le fichier image est localisé Pour télécharger une image de la bibliothèque d'images et de vidéos créée par FizziQ pour l'étude de la cinématique. : appuyer sur "FizziQ Ressources", puis copier le lien de l'image que vous souhaitez ajouter. Revenir dans l'application et appuyer sur "Internet", puis sur l'icône "Coller". Voilà, l'image est prête à être analysée. Pour télécharger une image venant d'un fichier disponible sur internet : placer dans le presse-papier une copie du lien internet de cette image, dans l'application, appuyer sur "Internet" puis l'icône "Coller". Analyser une chronophotographie L'analyse d'une chronophotographie avec FizziQ se fait en trois étapes : mise à l'échelle, pointage, résultats. A tout moment on peut revenir à l'étape précédente pour changer l'échelle ou modifier des points du mouvement. Mise à l'échelle La mise à l'échelle se fait en trois étapes qui peuvent être réalisées dans n'importe quel ordre : - positionnement de l'Origine en déplaçant le curseur avec le doigt - positionnement de l'Extrémité - entrée de la longueur de l'échelle Tant que ces trois étapes n'ont pas été réalisées, on ne peut passer à l'étape suivante. Une fois la mise à l'échelle réalisée, on appuie sur l'onglet "Pointage" à droite Pointage le pointage consiste deux étapes : - vérifier que l'intervalle de temps est bien celui qui correspond à la séquence d'images. Cet intervalle est entré en millisecondes, - entrer tous les points du mouvements en déplaçant la mire avec le doigt pour la positionner, puis en appuyant sur le rond pour valider. Si on s'est trompé on peut annuler en appuyant sur la poubelle. Pour cacher les indications qui peuvent perturber le pointage on peut appuyer sur l'oeil. Finalement l'appareil photo permet de prendre une copie d'écran. Résultats Après avoir pointé l'ensemble du mouvement, on peut alors passer à l'analyse qui se fait dans le cahier d'expérience en utilisant les possibilités graphiques de l'application : - sélectionner les données que vous souhaitez transférer dans le cahier. Un maximum de 3 données peut être sélectionné, - transférer les données en appuyant sur Cahier, - l'application bascule vers le cahier d'expérience et les données sont ajoutées à la fin du cahier. Utiliser le cahier d'expérience Le cahier d'expérience est une des spécificités de l'application FizziQ. Il permet d'organiser les données, de les analyser sous forme de graphique, d'ajouter du texte et des photos pour documenter son raisonnement, puis de les exporter. Les données venant de l'analyse cinématique sont ajoutées au cahier sous la forme d'une nouvelle carte d'observation de type tableau. Un tableau dans FizziQ est l'équivalent d'une feuille de tableur. Des lignes peuvent être ajoutées en appuyant sur le bouton +, ou supprimées en poussant la ligne vers la gauche (Swipe Left). La dernière ligne du tableau permettent d'ajouter des statistiques. En bas de la carte on trouve les possibilités graphiques du tableau. Les boutons permettent de créer des graphiques combinant les 3 colonnes de données. Dans un graphique les boutons + et - permettent de changer l'échelle et le bouton haut-bas de centrer le graphique. Le bouton à droite permet de réaliser des interpolations linéaires ou quadratiques des données. Le tableau est un outil en évolution et d'autres fonctionnalités sont ajoutées régulièrement. Exporter les données Un des atout de FizziQ est la capacité d'exporter très facilement les données. De nombreux enseignants préfèrent utiliser un tableur sur ordinateur mais utilisent la capacité du module cinématique pour faire analyser par leurs élèves les données rapidement avec leur smartphone. Une fois les données dans le cahier d'expérience, elles peuvent être exportées dans un fichier au format CSV : - dans le cahier, appuyer sur l'icône Partage en haut à droite de l'écran - sélectionner "Crée un fichier CSV" - décider d'un séparateur décimal point ou virgule en fonction de la configuration de votre tableur - exporter le document Pour en savoir plus La Fondation la main à la pâte a publié un défi sur la chronophotographie. Le module cinématique et l'utilisation de vidéos pour faire de la cinématique dans FizziQ est décrit dans ce tutoriel préparé notre l'équipe. On pourra également consulter l'excellente vidéo de Jean-Michel Courty pour Billes de Sciences sur l'utilisation de l'application FizziQ pour l'analyse cinématique.

Savez-vous que la biomécanique permet aux athlètes de booster leur performance grâce à l'application des lois de la mécanique aux êtres vivants ? ​Dans cet article nous proposons 5 expériences à réaliser en classe ou à la maison avec son smartphone pour comprendre ce qu'est la biomécanique avec des activités scientifiques motivantes pour chacun. Table des matières Qu'est ce que la biomécanique ? - Utiliser un smartphone en biomécanique - #1 Mesurer un parcours journalier - #2 Où se trouve le centre de gravité d'un plongeur ? - #3 Analyser mon rythme cardiaque - #4 Comment une perchiste monte-t-elle plus haut ? - #5 Vaut-il mieux courir pied nu ou avec des baskets ? Qu'est-ce que la biomécanique ? La biomécanique est une branche de la science qui étudie les mouvements et les forces qui agissent sur les organismes vivants, en utilisant des principes de la physique, de la mécanique et de la biologie. La biomécanique est utilisée dans le domaine de la santé, par exemple pour aider les personnes âgées à améliorer leur autonomie, ou les personnes souffrant d'un handicap physique. Elle est également utilisée dans le sport pour améliorer les performances des athlètes. Pour mener à bien ses études, le chercheur en biomécanique utilise avant tout son intuition et son étude des sujets. Comme le dit Léonard de Vinci, le premier biomécanicien : « Le bon peintre doit principalement peindre deux choses, la personne et son état d’esprit. La première est facile, la seconde difficile, car il faut la représenter à travers les gestes et les mouvements des membres » Le biomécanicien moderne utilise également tous les instruments scientifiques disponibles pour analyser les déplacements de chaque partie du corps. Par exemple des accéléromètres, des gyroscopes, des dynamomètres peuvent être attachés à certaines parties du corps pour mesurer les efforts ou les mouvements. Il utilise également un nombre d'instruments qui lui permet d'analyser le fonctionnement des muscles et tendons et leur capacité à créer du mouvement et transformer l'énergie. Par exemple l'électromyogramme (EMG) permet de mesurer les efforts musculaires, le mécanomyogramme (MMG) permet de mesurer l’activité vibratoire du muscle lors d’une contraction. Ces instruments permettent d’obtenir l’effort global du muscle lors d’une contraction. Une des grandes innovations en biomécanique a été l'utilisation de caméra à haute vitesse qui permet par analyse cinématique de mesurer les déplacement des chaque partie du corps lors d'un mouvement. On peut utiliser la chronophotographie, qui consiste à prendre des images successives à haute vitesse, ou la vidéo. En savoir plus sur la biomécanique : Introduction à la biomécanique - Eduscol Le site de la société de biomécanique Utiliser un smartphone en biomécanique ? Tout le monde peut faire des analyses de biomécanique avec un instrument que l'on a dans sa poche : le smartphone. Il y a trois types de données qui peuvent être utilisées dans ces analyses : Les données des capteurs du smartphone L'analyse de vidéos prises avec la caméra La connection de capteurs externes Les smartphones intègrent de nombreux capteurs tels que des accéléromètres, des gyroscopes, des magnétomètres, qui permettent de connaître la position d'un corps ou d'une partie d'un corps avec précision. La fréquence d'acquisition des données de ces capteurs est de plus de 150 données par secondes, donc suffisant pour faire des analyses fines. On peut également utiliser la caméra du smartphone pour enregistrer des vidéos d'un mouvement puis réaliser une analyse image par image. Le module cinématique de FizziQ permet de faire ce type d'analyse directement avec son téléphone portable. La plupart des téléphones également peuvent filmer au ralenti, parfois jusqu'à 240 images par secondes, ce qui permet à l'étudiant d'obtenir des mesures encore plus précises. Finalement on peut aussi connecter des capteurs externes, moins encombrants, sur les parties de l'athlète que l'on souhaité étudier. Dans le cadre scolaire ou universitaire, on peut facilement utiliser des micro-controlleurs comme Arduino, Micro:Bit ou M5 Stack. Ces appareils enregistreront les données qui pourront être transmises à un appareil d'acquisition comme FizziQ. Expérience 1 - Comment un smartphone calcule-t-il mon parcours journalier ? Vous êtes vous déjà posé la question de comment votre smartphone mesure les distances que vous avez parcouru en marchant ? Dans FizziQ, utilisez l'accéléromètre pour mesurer l'accélération absolue (aussi appelée accélération avec g), lancer l'enregistrement et mettez votre smartphone dans votre poche. Marchez quelques pas et arrêtez l'enregistrement. Vous constatez des pics qui correspondent à chaque pas. En effet, quand vous posez le pied sur le sol, le smartphone qui est dans votre poche subit un brusque arrêt dans son mouvement, et l'accélération augment brusquement. Si le logiciel compte le nombre de pics, il pourra compter le nombre de pas. Comment passe-t-on du nombre de pas à la distance ? Votre smartphone vous a demandé votre taille quand vous l'avez initialisé. A partir de la taille, le logiciel déduit la longueur de pas typique pour le propriétaire du smartphone puis une distance avec le nombre de pas. Cette méthode de mesure est en fait très précise. C'est ainsi que procédaient les égyptiens et grecs des temps anciens pour mesurer les distances. Les bématistes, ou arpenteurs, étaient réputés pour avoir un pas régulier et une bonne mémoire pour ne pas oublier les comptes. On a vérifié que les mesures de distances qu'ils effectuaient étaient souvent d'une précision inférieures à 1% par rapport aux calculs modernes pour des distances de 500 km et plus ! En étudiant plus précisément le graphique vous pourrez également déceler les différentes phases du mouvement de votre jambe. Par exemple à quel mouvement correspond le plateau au milieu des deux pics ? Peut-on détecter une régularité du mouvement ? Pourrait-on détecter que l'on boite uniquement en étudiant le graphique ? Comment le smartphone calcule-t-il aussi les escaliers que l'on monte ? Pour réaliser cette expérience sur FizziQ, rendez-vous sur notre activité : "Un kilomètre à pied" https://www.fizziq.org/team/un-kilomètre-à-pied Expérience 2 - Où se trouve le centre de gravité d'un plongeur ? On sait que si on lance une balle en l'air et que l'on néglige les frottements, elle décrira une parabole. Mais qu'en est-il pour une plongeuse qui effectue un saut périlleux ? Son centre de gravité décrit-il vraiment une parabole ? Pour étudier cette question on peut aller à la piscine et filmer une athlète en train de plonger. Si on a pas de piscine à côté de chez soi, on peut utiliser la vidéo du plongeur de la bibliothèque de vidéos cinématique. Etudions la vidéo dans le module cinématique de FizziQ. L'utilisation de ce module est décrite dans ce tutoriel. Après avoir téléchargé la vidéo dans le module cinématique de FizziQ, nous réalisons plusieurs pointages, dans le premier nous pointerons sur la tête de l'athlète. Sur un deuxième nous pointerons sur ses pieds. Si l'on trace dans le cahier d'expérience des courbes, on voit que ces courbes sont extrêmement différentes. Du point de vue physique il est très difficile de modéliser ces mouvements. Les lois de la mécanique nous affirment par contre que la trajectoire décrite par le centre de gravité d'un corps en chute libre sans frottement est une parabole. Si on est capable de pointer le centre de gravité pour chaque image, on devrait obtenir une courbe résultante qui est une parabole. Parfois il se situe en dehors du corps de l'athlète. Saurez-vous le trouver sur chaque image ? Retrouvez cette activité et téléchargez son QR code en suivant ce lien. Expérience 3 - Un accéléromètre peut-il mesurer le rythme cardiaque ? Un coeur qui bat crée des pressions régulières sur la cage thoracique, mais ces petits chocs sont-ils suffisamment importants pour être détectés par l'accéléromètre d'un smartphone ? Que peut-on déduire de l'analyse ? Allongeons nous, puis sélectionnons l'accélération linéaire transversale dans l'application FizziQ, appuyons sur le bouton d'enregistrement, et plaçons le portable sur notre coeur. Après 5 secondes, arrêtons l'enregistrement et étudions le graphique. Pour voir les battements, on peut recalibrer le graphique en appuyant sur le bouton d'échelle. On voit nettement les différents battements et on peut mesurer avec la loupe leur fréquence, le rythme cardiaque. On peut également étudier la régularité de ce rythme. Il faut bien sûr consulter un médecin si le rythme est irrégulier ! On constate enfin que l'accéléromètre est capable de détecter bien d'autres éléments comme par exemple l'onde T qui est le deuxième pic et qui apparaît au premier tiers de la durée du battement. Cette pulsation correspond à la "repolarisation des ventricules", autrement dit, les myocytes ventriculaires « se relâchent » et se rechargent afin de pouvoir se dépolariser de nouveau. Le coeur est une machine complexe mais il est impressionnant que même avec un appareil du commerce, nous puissions conduire des analyses sur notre santé et mieux comprendre le fonctionnement de nos organes ! Pour en savoir plus vous pouvez consulter notre article sur la photopléthysmographie (utilisation de la lumière verte pour l'analyse médicale), et le défi de La Fondation La main à la pâte sur la fréquence cardiaque. Expérience 4 - Comment une perchiste monte-t-elle plus haut ? On pourrait à croire que le saut à la perche est une simple transformation de l'énergie cinétique en énergie potentielle, mais la réalité est toute autre : par un mouvement de rotation puis de poussée, le perchiste apporte plus d'un tiers d'énergie en plus, qui lui permet d'aller significativement plus haut. Pour prouver cette affirmation, nous conduisons une analyse cinématique sur la vidéo de la perchiste qui se trouve dans la bibliothèque de vidéos. L'analyse fine du bilan énergétique, que l'on trouvera dans notre article dédié au saut à la perche, montre qu'il y a trois phases d'apport d'énergie qui vont se transformer progressivement en énergie potentielle : l'énergie cinétique de la course avant le décollage due à la course, le retournement vers 1,3 s dans laquelle l'athlète utilise ses abdominaux pour effectuer une rotation et le redressement vers 1,8 s où il s'étend à la verticale. Chacune de ces actions procure une énergie supplémentaire pour que l'athlète aille plus haut. Si l'on néglige les pertes, on peut estimer l'énergie élastique au point de compression maximale : c'est la différence entre l'énergie mécanique initiale et l'énergie mécanique en ce point, soit environ 1300 J. L'énergie potentielle nécessaire pour passer du point de retournement à l'apogée étant d'environ 2000 J, on calcule un apport d'énergie de l'athlète durant la phase de vol d'au moins 700 J, soit l'équivalent d'un gain de hauteur d'au moins 1,30m ! La complexité du mouvement du saut à la perche tient au fait que la performance nécessite à la fois la bonne transformation de la course en énergie élastique et sa restitution en énergie potentielle, mais également d'apporter un supplément d'énergie lors de la phase de vol pour gagner encore plus d'un mètre ! Belle coordination !! Expérience 5 - Faut-il mieux courir avec des baskets ou pieds nus ? Certains athlètes courent pieds nus mais les orthopédistes ne recommandent pas cette pratique, pourquoi ? Pour le savoir, utilisons l'accéléromètre de notre smartphone, que nous pouvons glisser dans notre poche. On sélectionne l'accélération absolue, on lance l'enregistrement et sur une route, ou une piste, on court pieds nus d'une foulée régulière pendant une dizaine de secondes. Après avoir ajouté les données au cahier d'expérience on recommence avec des baskets. L'analyse des données et la comparaison entre les deux graphiques de données montre plusieurs éléments intéressants, dont le premier est que la course est un exercice très éprouvant pour les genoux. En effet, les accélérations maximales sont environ de 5 fois l'accélération de la pesanteur, cela veut dire que les genoux encaissent 5 fois notre poids à chaque foulée, parfois jusqu'à 7 fois. Si on pèse 75 kg, cela peut faire une de demi-tonne ! N'est-il pas incroyable que notre corps puisse résister à de tels efforts de façon continue ? Si, à présent, nous comparons les deux graphiques, on constate que les valeurs maximales des accélérations quand on porte des baskets sont en moyenne 15% inférieures à celles de la course pied nu. Il y a donc un avantage significatif à utiliser des chaussures qui amortissent bien les chocs pour préserver la santé de nos articulations ! En conclusion La biomécanique, ou science des mouvements et les forces qui agissent sur les organismes vivants, est une branche passionnante de la physique. Des expériences simples qui peuvent être proposées aux élèves dès le collège permettent d'aborder des sujets du programme ou d'ouvrir le champ de réflexion des élèves par l'expérimentation et la méthode d'investigation scientifique. Avec l'approche des Jeux Olympiques, voici un outil de plus pour intéresser les élèves à la science !

Le synthétiseur de fréquences permet de réaliser des expériences scientifiques passionnantes grâce à ses trois voix programmables avec des fréquences de 200 à 10 000 hertz. Nous proposons ici 6 expériences simples et rapides à effectuer pour étudier les ondes sonores avec son smartphone ou une tablette : Table des matières Qu'est-ce qu'un synthétiseur de fréquence ? - Créer un battement acoustique - Générer un anti-son - Synthétiser le timbre d'une flûte - Réaliser un audiogramme - Se protéger des sons trop forts - Mesurer la vitesse du son Qu'est-ce qu'un synthétiseur de fréquence ? Un synthétiseur de fréquence, aussi appelé générateur de fréquence, ou générateur de tonalité, est un appareil électronique ou un logiciel qui produit des tonalités audio à différentes fréquences et amplitudes. Il est utilisé à diverses fins, telles que la production musicale, l'ingénierie du son, la recherche scientifique, ainsi que les tests et l'étalonnage d'équipements audio. Les synthétiseurs de fréquence peuvent produire des ondes sinusoïdales, des ondes carrées, des ondes triangulaires, des ondes en dents de scie et d'autres formes d'onde. La fréquence et l'amplitude des tonalités générées peuvent être ajustées pour répondre aux exigences spécifiques de l'application. Certains générateurs de sons offrent la possibilité de mixer plusieurs pistes pour créer des sons complexes. Autrefois les générateurs de fréquences étaient des machines encombrantes utilisées dans les laboratoires, mais avec l'arrivée des ordinateurs puis des téléphones portables, les générateurs de sons sont maintenant disponibles dans n'importe quel équipement numérique. Ils peuvent maintenant être utilisés sur le terrain, en classe et surtout, ils sont gratuits ! Quels sont les meilleurs générateurs de sons ? Eh bien, cela dépend vraiment de ce que vous avez l'intention d'en faire et de l'endroit où vous vous trouvez. Il existe trois types de générateurs de tonalité : les générateurs en ligne (tapez dans Google "Générateur de tonalité en ligne") - l'avantage est qu'il est facilement accessible depuis n'importe quel appareil mais il a besoin d'un accès à Internet, les synthétiseurs d'applications scientifiques (FizziQ, Frequency and Sweep generator, Audizr, Phyphox) - ne nécessitent pas d'accès internet, gratuites et peuvent être couplées à des mesures, les synthétiseurs de musique (Ableton, Studio one) - très puissants mais nécessitant une expertise de musicien et sont généralement des logiciels coûteux les émetteurs de laboratoires comme les émetteurs à ultrasons pour faire des expériences sur la vitesse du son Dans les sections suivantes, nous suggérerons un certain nombre d'expériences pouvant être réalisées à l'aide d'un générateur de sons pour mieux comprendre le son et les ondes sonores. Nous avons utilisé l'application gratuite FizziQ pour mener ces expériences. Créer un battement acoustique Un effet sonore souvent utilisé en musique électronique est l'effet LFO, aussi appelé battement sonore. Dans cet effet, le volume sonore d'un son augmente et diminue périodiquement, comme une sirène. On peut reproduire cet effet très simplement avec le synthétiseur. Pour en savoir plus sur l'effet LFO, vous pouvez télécharger l'activité "Flume" sur les battements acoustiques, ou visionner la vidéo que nous avons réalisée sur le sujet. Générer un "anti-son" On parle beaucoup d'anti-matière ... alors pourquoi ne pas générer un anti-son ? C'est sur ce principe que fonctionnent les casques audio qui suppriment les bruits de fond. Dans cette expérience nous montrons comment annuler un son. Quand on décale la deuxième voix d'une demi-période, l'onde sonore de la deuxième voix est l'exacte opposée de la première voix et quand les deux sons sont joués en même temps, ils s'annulent. C'est le même principe qui est utilisé dans les casque antibruit : les sons répétitifs ambiants sont enregistrés, puis ils sont rejoués avec un déphasage qui permet de les supprimer pour l'utilisateur. Pour en savoir plus sur l'annulation d'ondes sonores, on pourra télécharger l'activité "Une bulle sans bruits" sur la technologie des casques a suppression de bruits active. Synthétiser un son complexe comme celui d'une flûte ou d'un hautbois On parle souvent du timbre d'un instrument, mais que veut-on dire par là ? Un son pur est une onde sonore de fréquence unique. Si on ajoute à cette onde une autre onde sonore dont la fréquence est un multiple de cette première onde, on a alors un son beaucoup plus agréable à l'oreille, plus riche. C'est ce que l'on appelle le timbre. Les harmoniques sont créées par les résonances internes à l'instrument de musique, soit par le mécanisme de production du son, soit par la caisse de résonance. En s'ajoutant à la fréquence fondamentale, elles viennent enrichir le son de l'instrument et lui donner un timbre particulier et agréable à l'oreille. On peut analyser les harmoniques d'un instrument particulier en utilisant le Spectre de Fréquence, instrument de mesure de FizziQ. Combien de voix seraient-ils nécessaire au synthétiseur pour reproduire le son du hautbois de la bibliothèque de la bibliothèque de sons ? Pourquoi ne pas utiliser plusieurs portables pour le reproduire plus précisément ? Réaliser audiogramme À partir de 60 ans, la sensibilité de notre audition diminue fortement largement dans les sons aigus. Une expérience consiste à demander à une personne de 60 ans à réaliser un audiogramme avec un téléphone portable. Un audiogramme est une analyse de l'audition faite chez un spécialiste et dont l'objectif est de tester la qualité de l'audition à différentes fréquences. Attention, ne jamais mettre un haut-parleur proche de l'oreille de quelqu'un ou ne pas soumettre une personne à un volume sonore trop important, car cela risquerait d'entraîner des dommages irréversibles au système auditif. Comparez maintenant cet audiogramme à votre propre audiogramme. Attention, pour pouvoir comparer ces deux audiogrammes il faut qu'ils soient faits dans les mêmes conditions avec le smartphone placé à la même distance du sujet. Mesurer l'atténuation du son en fonction de la distance Emma est à un concert et se trouve à 2 mètres d'une enceinte. Elle mesure le niveau sonore qui est de 105 db. Avec cette puissance, elle ne peut rester à cet endroit sans avoir des risques de séquelles pour son audition. A quelle distance doit-elle se placer de l'enceinte pour que le son soit de 90 db et qu'elle puisse suivre tout le concert sans risque ? Les sons forts sont un danger pour notre audition et malheureusement les dommages sont irréversibles. Prenons-en soin ! Pour en savoir plus sur le son et ses dangers, vous pouvez réaliser cette activité : "Chloé au concert". 6. Mesurer la vitesse du son Il y a plusieurs méthodes pour calculer la vitesse du son en utilisant un portable. Nous allons ici réaliser une expérience originale pour calculer cette vitesse en utilisant le synthétiseur de fréquence. On réalise cette expérience avec un appareil Android qui permet d'émettre un son et simultanément d'analyser le niveau sonore. Pourquoi cette expérience nous permet-elle de calculer la vitesse du son ? Le niveau sonore au niveau du micro est la somme de l'onde sonore venant du haut-parleur et de l'onde réfléchie par le livre. L'intensité de cette deuxième onde est faible mais suffisante pour créer une petite variation du volume au niveau du micro par interférence avec l'onde principale. Quand on place le livre au quart de la longueur d'onde, l'onde réfléchie est déphasée d'une demi-période par rapport à l'onde émise, et donc réduit l'intensité de cette onde au niveau du micro, proche du haut-parleur. Cette expérience conduit en général à une surestimation de la vitesse du son. En effet, nous avons supposé que le micro et le haut parleur étaient au même endroit. En pratique ils peuvent être écartés de quelques centimètres. D'autre part, le micro lui-même n'est pas placé à la surface du smartphone, à partir d'où nous prenons les mesures. Le calcul de la vitesse est moins précis que d'autres méthodes mais les concepts abordés par cette expériences ouvrent des voies pédagogiques intéressantes ! Pour en savoir plus sur le calcul de la vitesse du son, vous pouvez consulter notre vidéo dédiée à ce sujet. Conclusions Le synthétiseur permet de réaliser de nombreuses expériences tout à fait intéressantes, à réaliser en classe dans le cadre d'une séance de TP, ou à la maison pour en savoir plus sur les sciences et l'acoustique. Les trois voix du synthétiseur de FizziQ offrent en outre de nouvelles possibilités pour l'expérimentation.

Imaginez-vous que votre smartphone peut faire plus de cinquante types de mesures différentes sur le son, le mouvement, la lumière, la couleur, l'énergie ? Tout cela est possible grâce aux capteurs de taille microscopique qui sont dans votre smartphone. Avec FizziQ, nous donnons accès à la plupart de ces capteurs pour pouvoir faire des mesures de précision avec son smartphone ou sa tablette. Chacun peut ainsi utiliser son smartphone pour apprendre les sciences ! Table des matières Orientation - Eclairement - Luminance - Couleurs - Spectre de couleurs - Absorbance - Intensité - Nombre de pas - Inclinaison - Accélération linéaire - Accélération absolue - Volume sonore - Oscillogramme - Fréquence fondamentale - Spectre de Fréquence - Niveau de bruit - Champ Magnétique - Vitesse de rotation - Coordonnées géographiques - Altitude - Vitesse - Précision - Azimut - Angle d'élévation - Analyse cinématique Orientation (Boussole) La boussole affiche l'angle de ton portable avec le nord magnétique. Cet instrument utilise les différentes données du magnétomètre pour calculer cet angle. La précision des données est inférieure à 0,1 degré et la fréquence de mise à jour des données est en générale supérieure à 10 hertz, soit 10 données par seconde.", Eclairement ou luminosité (Luxmètre) Le capteur de lumière ambiante mesure l’éclairement sur une surface donnée. La mesure s’exprime en lux. Un lux est l'éclairement d'une surface qui reçoit, d'une manière uniformément répartie, un flux lumineux d'un lumen par mètre carré. Le lux est une unité généralement peu connue. Lorsque nous achetons des ampoules, nous regardons plus souvent le nombre de watts et le nombre de lumens. La pleine lune génère environ un lux, une lampe de salon, environ 50 lux, l'éclairage d'une salle de classe, tout comme le lever ou le coucher du soleil, environ 400 lux, la lumière du jour indirecte, plus de 10 000 lux, tandis que la lumière directe du soleil génère plus de 30 000 lux. La fréquence de mise à jour des données dépend des capteurs de ton portable et est en général supérieure à 10 hertz, soit 10 données par seconde Luminance (Luxmètre) La caméra du smartphone permet de calculer la luminance du flux lumineux qui est émise ou reflété par les objets qui sont dans son champ. La luminance est proportionnelle à l’intensité lumineuse mais, contrairement à la mesure d’éclairement, ne tient pas compte de la surface de la source lumineuse. C'est le ressenti visuel de l’intensité lumineuse. La luminance locale calcule la luminance des pixels centraux de l'image capturée par la caméra. La luminance globale calcule la luminance moyenne sur l'ensemble des pixels de l'image de la caméra. Dans FizziQ, la luminance est calculée comme la moyenne des composants rouge, vert et bleu détectés par la caméra du smartphone sur l’ensemble de l’image et rapportée à la valeur de calibration. La mesure est mise à jour à une fréquence d'environ 10 Hz. ATTENTION : les mesures de luminance sont des mesures relatives par rapport à une référence que l'utilisateur fixe en appuyant sur le bouton CALIB. ​ Couleurs (Colorimètre) Le colorimètre est un outil qui analyse les échantillons colorés. FizziQ utilise le détecteur photographique présent dans ton portable pour calculer différents paramètres qui caractérisent la couleur reflétée ou transmise par les objets que tu analyses. La couleur est un phénomène physique difficile à étudier. Chacun perçoit les couleurs différemment. Les capteurs photographiques des portables ont des sensibilités différentes à certaines longueurs d'ondes et les résultats ne sont pas toujours comparables pour différents portables. L'écran Couleur te donne un grand nombre d'informations sur la couleur du centre de l'image: un échantillon de la couleur perçue par le capteur et son nom commun, le spectre en % de la valeur maximum des composantes rouge, vert et bleu qui constituent cette couleur, la teinte sur l'échelle HSV, et l'intensité de cette teinte. ​ Spectre de couleur RVB (Colorimètre) Le savant Anglais Thomas Young a été le premier à découvrir que trois couleurs monochromatiques, le rouge, le vert et le bleu suffisent pour obtenir par addition toutes les sensations de couleur. Notre rétine est d'ailleurs composée de détecteurs appelés cônes qui ont des sensibilités particulières à chacune de ces couleurs. Un appareil photo digital fonctionne d'une manière semblable. Sur le capteur, est fixé un réseau de petits filtres de couleur rouge vert et bleu que l'on appelle un filtre de Bayer. Ce filtre laisse passer les longueurs d'ondes autour des longueurs d'ondes 460 nm (bleu), 550 nm (vert) et 640 nm (rouge). Ton portable fait de nombreux réglages pour que l'image soit toujours claire et que les couleurs soient bien représentées, mais cela peut affecter tes mesures si tu compares différentes couleurs. Il est donc recommandé d'appuyer sur le bouton Expo pour fixer les paramètres de ton appareil quand tu veux comparer différentes couleurs.​ ​ Absorbance (Colorimètre) L'absorbance mesure la capacité d'un milieu à absorber la lumière qui le traverse. Cette mesure est utilisée en spectrométrie pour mesurer les concentrations de produits chimiques. L'absorbance est le logarithme décimal du rapport entre l'intensité lumineuse de référence et l'intensité lumineuse transmise. L'absorbance est une donnée relative sans dimension. L'appareil de mesure doit être calibré en utilisant le bouton CAL, qui permettra de fixer l'intensité lumineuse de référence. Le bouton RAZ permet d'annuler la calibration. Ton smartphone ne peut se comparer à un spectromètre de laboratoire qui permet de réaliser des mesures de haute précision, mais il te permet néanmoins de réaliser certaines expériences passionantes sur la lumière.", Nombre de pas (Podomètre) Le podomètre est un instrument qui mesure le nombre de pas que tu parcours Ce calcul est fait grâce aux données de l'accéléromètre qui indique quand tes mouvements semblent être suffisamment réguliers pour indiquer que tu es en train de marcher. En analysant les changements d'accélération de ton corps, le podomètre est capable d'identifier les moments où tu fais un pas. Le podomètre ne se met en route que quand il détecte une régularité de ton mouvement de marche. Pour cette raison, tu dois d'abord marcher au moins 7 pas avant pour qu'il ne commence à compter tes pas. La précision de cet instrument dépend de la longueur de ton parcours mais elle est habituellement d'un pas pour centaine de pas. Inclinaison verticale (Inclinomètre) L’un des plus anciens outils de mesure utilisé par les premiers architectes est le fil à plomb. Cet instrument permettait de savoir si un mur était vertical et était très important pour construire des bâtiments solides. L'inclinomètre de ton smartphone a la même fonction et permet de calculer l'angle de ton portable par rapport à la verticale. L'angle que tu mesures est l'angle entre la ligne qui passe par le côté le plus long de ton smartphone et la verticale. La précision de cet instrument est de 0,1 degré et la fréquence de mise à jour est la même que celle de l'accéléromètre, c'est-à-dire inférieure à 10 millisecondes. Inclinaison horizontale (Inclinomètre) Tout le monde connaît le niveau à bulle qui permet de savoir si une table est horizontale. L'inclinomètre de ton smartphone a la même fonction et permet de calculer l'angle de ton portable par rapport avec un plan horizontal. L'angle que tu mesures est l'angle entre la surface du smartphone et le plan horizontal. La précision de cet instrument est de 0,1 degré et la fréquence de mise à jour est la même que celle de l'accéléromètre, c'est-à-dire inférieure à 10 millisecondes. ​ Accélération linéaire (Accéléromètre) L'accélération linéaire mesure la variation de vitesse de ton mobile (dans le référentiel terrestre) selon les trois axes X, Y et Z. Elle est mesurée en m/s². La valeur est donc nulle (suivant tous les axes) quand le téléphone est immobile. Cette mesure est en fait le résultat combiné de deux mesures: l'accélération absolue absolue, aussi appelé accélération avec g, et l'apesanteur qui est donnée par le magnétomètre. Ce dernier permet de soustraire la composante de la gravité de la mesure. L'accélération linéaire est ainsi une mesure qui reflète uniquement l'accélération créée par l'utilisateur sans la gravitation, comme si tu étais en apesanteur ! Cette mesure est très utile pour les jeux où seul le mouvement de l'utilisateur compte. L'accéléromètre mesure l'intensité de l'ensemble des forces qui s'exercent sur ton mobile et les exprime sous forme d'une accélération. Si tu agites ton mobile et que donc tu lui appliques des forces, tu verras la mesure augmenter ou décroître rapidement. L'accéléromètre de ton smartphone est très précis. La précision des mesures est inférieure à 0,01 m/s², et la fréquence de mise à jour des données est supérieure à 100 hertz, c'est-à-dire que 100 données sont calculées par seconde. ​ Accélération absolue (Accéléromètre) L'accélération absolue permet de mesurer l'accélération produite par l'ensemble des forces qui s'exercent sur le portable. Si tu gardes ton portable immobile, tu constateras que l'accéléromètre affiche une valeur d'environ 9.8 m/s². Cette accélération résulte de la force que tu exerces pour maintenir ton portable immobile et contrer la force d'apesanteur. L'accélération absolue est la donnée directement produite par le capteur accéléromètre, et est en ce sens plus précise que l'accélération linéaire qui est la résultante de deux capteurs. L'accéléromètre de ton smartphone est très précis. La précision des mesures est inférieure à 0,01 m/s², et la fréquence de mise à jour des données est supérieure à 100 hertz, c'est-à-dire que 100 données sont calculées par seconde. ​ Volume sonore (Microphone) Le sonomètre mesure le volume sonore capté par le microphone. Il est exprimé en décibels, ou dB. L'échelle des décibels est logarihmique: une source de 40 dB est 100 fois plus intense qu'une source de 20 dB.Le son le plus discret que l'oreille d'un être humain peut percevoir est de zéro décibel. Une conversation ordinaire atteint environ 60 dB, le son d'un mixeur est souvent de 90 dB, et les sons supérieurs à 140 dB sont douloureux pour l'oreille humaine. Une exposition continue à des sons de plus de 90 dB peut entraîner une perte de l'audition. La fréquence de mise à jour des données est supérieure à 250 hertz, c'est-à-dire 250 mesures par seconde. Les smartphones ont des microphones plus ou moins sensibles, et la mesure du volume va varier de l'un à l'autre. Le logiciel calibre l'appareil pour que le son le plus fort constaté sur une période de temps soit 90 dB et le moins fort soit de 20 dB. Il produit donc une mesure de la puissance relative du son plutôt qu'une mesure absolue. ​ Oscillogramme (Microphone) Un oscillogramme donne une représentation temporelle d'un signal en mesurant les variations de son intensité (ou amplitude) dans le temps. Les signaux périodiques et non périodiques peuvent être représentés par un oscillogramme, mais seuls ceux qui présentent une périodicité auront une représentation stable dans le temps. Remarque Pour créer l'oscillogramme, ton smartphone enregistre le signal sur des petits intervalles de temps, puis synchronise ces enregistrements de façon à démarrer la séquence toujours au même endroit de celle-ci. Par exemple il peut débuter la séquence quand le maximum est atteint. L'échelle de temps de l'oscillogramme est de 10 millisecondes. L'amplitude est exprimée en pourcentage de l'amplitude maximum qu'est capable de détecter le microphone. ​ Fréquence (Microphone) La fréquence d'un signal correspond au nombre de répétitions par secondes du motif élémentaire qui le compose. Elle est exprimée en hertz, noté Hz. Un son est en général composé de plusieurs sons purs ayant différentes fréquences. Le fréquencemètre donne la fréquence de plus forte intensité parmi toutes les fréquences qui le composent : la fréquence dominante. Remarque Pour calculer cette fréquence, le fréquencemètre enregistre le son du microphone sur de petits intervalles de temps. Puis, en utilisant un processus mathématique appelé la transformation de Fourrier, il calcule les fréquences de tous les sons purs et le niveau sonore de ces sons. Il en déduit alors le son dominant qui est la fréquence ayant la plus forte intensité sonore. Il est prévu qu’une prochaine version donne systématiquement la fréquence du fondamental afin de ne pas avoir (quelquefois) la fréquence de l’harmonique de plus grande amplitude. Quand cette modification sera effective, nous l’indiquerons dans l’information du capteur sur l’application. Nous intégrerons alors un nouvel instrument de mesure permettant d’afficher la « note » entendue puisque cette note dépend directement de la fréquence du fondamental (par exemple, un La4 correspond à une fréquence du fondamental de 440 Hz) ​ Spectre de fréquences (Microphone) Contrairement au fréquencemètre qui ne donne que la fréquence dominante d'un son (ou celle de son fondamental selon les versions), le spectre sonore détaille l'ensemble des fréquences qui le composent. Cet outil permet ainsi de décrire précisément les caractéristiques d'un son. Plus le nombre de fréquences qui composent la note est important, plus le son est dit « riche ». Cela contribue au « timbre » d’un instrument. Remarque Les fréquences sont exprimées en hertz, noté Hz. L'amplitude est exprimée en pourcentage de l'amplitude maximum qu'est capable de détecter le microphone. Précision Les données sont actualisées toutes les 0,5 secondes. ​ Champ magnétique (Magnétomètre) Le magnétomètre calcule le champ magnétique global auquel est soumis ton portable. La mesure est exprimée en microTesla, noté μT. Remarque Le magnétomètre de ton téléphone est très sensible aux courants électriques et aux objets métalliques. Les détecteurs de métaux utilisent des magnétomètres. Bien sûr, ton magnétomètre détecte également le champ magnétique terrestre qui varie entre 20 et 80 μT selon les endroits. Précision La sensibilité des magnétomètres que contiennent les smartphones est en générale inférieure à 0,2 μT. La fréquence de mise à jour des données est la plupart du temps supérieure à 50 hertz, soit 50 données par seconde. ​ Vitesse de rotation (Gyroscope) Un gyroscope est un instrument qui mesure l'orientation d'un objet dans l'espace. La vitesse de rotation se mesure en rpm, qui correspond au nombre de tours par minute. La rotation de ton mobile peut être mesurée par rapport aux 3 axes de ton téléphone (X, Y et Z) Ton smartphones possède des gyroscopes qui permettent de déterminer la vitesse de rotation du mobile sur lui-même dans tous les sens. Cela est très utile pour les jeux par exemple quand tu utilises ton portable pour contrôler une voiture ou un personnage. La rotation faciale est la rotation de ton mobile par rapport à l'axe z, qui est perpendiculaire à la face du smartphone. La rotation longitudinale est la rotation autour de l'axe y qui est la longueur de ton portable. Si tu mets ton portable dans un cylindre, tu pourras avec ce capteur détecter si ton mobile roule et à quelle vitesse Remarque Ton smartphones possède des gyroscopes qui permettent de déterminer la vitesse de rotation du mobile sur lui-même dans tous les sens. Cela est très utile pour les jeux par exemple quand tu utilises ton portable pour contrôler une voiture ou un personnage. Les gyroscopes sont essentiels pour la navigation des avions ou des satellites et leur permet de détecter si ils pointent vers le haut, le bas ou le côté. Habituellement, un gyroscope est constitué d'une roue ou d'un disque qui tourne autour d'un autre disque ou axe. La rotation des disques mesure à la fois l'orientation du gyroscope lui-même et la vitesse à laquelle il tourne dans un sens ou dans l'autre. Si tu mets ton portable dans un cylindre, tu pourras avec ce capteur détecter si ton mobile roule et à quelle vitesse ​ Latitude/longitude (G.P.S) Le GPS permet de calculer la position de ton mobile sur Terre. Un point sur la surface de la terre est caractérisé par sa latitude et sa longitude. Latitude : La latitude est l'angle formé entre la verticale d'un lieu et le plan de l'équateur : de + 90 degrés nord vers le pôle Nord à - 90 degrés vers le pôle Sud. FizziQ exprime la latitude en millidegrés (1 millidegré = 0.001 degré). Longitude : La longitude est la valeur angulaire de la position est-ouest d'un point par rapport à la longitude de référence sur Terre, le méridien de Greenwich. FizziQ exprime la longitude en millidegrés. La mise à jour des données se fait toutes les secondes. La précision du GPS pour la position est habituellement d'une dizaine de mètres. ​ Vitesse (G.P.S) Le GPS En analysant les changements de cette position, ton smartphone en déduit la vitesse de ton smartphone. La précision de cet instrument pour la mesure de la vitesse est en général inférieure à 1 m/s. La mise à jour des données se fait toutes les secondes. La mesure de vitesse nécessite habituellement quelques secondes pour être précise car elle est déduite des mesures de latitude et de longitude sur une certaine période de temps. ​ Altitude (G.P.S) Le GPS permet de calculer la position de ton mobile sur la terre. Le système est également capable de donner l'altitude au-dessus du niveau de la mer à laquelle ton mobile se trouve. La mise à jour des données se fait toutes les secondes. La précision du GPS pour la position est habituellement d'une dizaine de mètres. ​ Précision (G.P.S) Dans cet appareil de mesure, on a intégré l’affichage de la précision. Tu peux donc afficher la précision de la mesure de ton GPS en utilisant l'instrument Précision. Cette précision donne une mesure de la marge d'erreur de ton GPS. Elle est exprimée en mètres. Une Précision de 10 mètres indique que la position de ton smartphone est précise à 10 mètres près. Le système GPS fonctionne en recevant les informations de satellites qui tournent autour de la terre. Pour que la précision soit optimale, il faut que le GPS reçoive les informations d'au moins quatre satellites. Le signal traverse difficilement les obstacles comme des murs ou des arbres. Pour améliorer la précision de tes mesures, assure-toi que tu es en terrain dégagé, sans obstacle entre toi et le ciel. Azimut (Théodolite) Un théodolite est un instrument de mesure optique utilisé pour mesurer des angles horizontaux et verticaux avec une grande précision. L'azimut est l'angle entre le point visé dans la mire du théodolite et le nord magnétique. Cet instrument est fréquemment utilisé pour les calculs de triangulation. La précision de l'azimut est de 1 degré et les mesures sont réalisées avec une fréquence de 50 hertz. Angle d'élévation (Théodolite) ​L'angle d'élévation donne une mesure de l'angle entre l'horizontale et le point visé dans la mire du théodolite. Cet instrument permet de calculer la hauteur des bâtiments par exemple. Cet angle est positif si la visée est au-dessus de l'horizon et négative sinon. Il est exprimé en degrés. La précision de l'angle d'élévation est de 1 degré et les mesures sont réalisées avec une fréquence de 50 hertz. Cinématique L'analyse cinématique a pour but d'analyser la trajectoire d'un corps à partir d'images prises à intervalles réguliers, soit sous forme de chronophotographies, ou de vidéos. Le module cinématique de FizziQ permet de calculer à partir de ces deux types de séquence la position des corps, la vitesse, l'accélération et leur énergie. La présence de caméra permettant des vidéos de qualité et au ralenti offre des possibilités énormes d'analyse pour les élèves. Des protocoles passionnants sont accessibles pour tous les niveaux : https://www.fizziq.org/sports-cinematique

Réaliser et analyser avec vos élèves une vidéo cinématique est un excellent moyen de les impliquer. Pour éviter de perdre trop de temps durant la réalisation, voici 7 conseils simples à suivre pour vous assurer que ces vidéos soient rapidement exploitables. 1. Un smartphone suffit Comme dit le proverbe : "Le meilleur appareil photo est celui qu'on a sur soi". Il n'est pas besoin de filmer en 4K pour obtenir des vidéos exploitables pour une analyse cinématique. Pratiquement tous les portables sont capables de filmer en format 720p, soit une résolution de 1280x720 pixels, ce qui est déjà très largement suffisant. Tous vos élèves dotés d'un portable seront donc capables de filmer une séquence qu'ils pourront analyser. 2. Utiliser un pied L'étude cinématique consiste à analyser les déplacements d'un objet sur une image pour en déduire les déplacements dans le monde réel. Si la caméra se déplace lors de l'enregistrement vidéo, le mouvement parasite va être interprété comme un déplacement de l'objet et donc fausser la mesure. Il est donc important que le plan de caméra soit fixe durant la durée de l'enregistrement, idéalement en fixant la caméra sur un pied. On peut également poser l'appareil sur une table, un rebord de fenêtre et bien le caler pour qu'il ne tombe pas. Si l'appareil est tenu à la main, il faut bien alerter le caméraman à ne pas bouger et surtout ne pas suivre l'objet en mouvement ! 3. Ajouter une échelle Pour pouvoir faire une correspondance entre la dimension des objets sur l'écran et leur dimension dans le monde réelle, on a besoin d'une échelle; c'est-à-dire d'un objet dont on connaît la taille et qui figurera sur la vidéo en même temps que le mouvement que l'on souhaite analyser. Le mieux est d'utiliser un mètre, mais on peut également utiliser un personnage ou un objet dont on connaît la taille. Attention, il faut que l'échelle et les indications quelle compote soient lisibles sur la vidéo. 4. Respecter la distance Pour qu'une vidéo cinématique soit exploitable, il faut que toutes les positions de l'objet en mouvement soient à la même distance de l'objectif de la caméra. Dans la pratique il y aura toujours des variations de distance dues au mouvement intrinsèque de l'objet, mais il convient d'essayer de les réduire au maximum. Par exemple on essaiera de se placer plutôt plus loin que plus près en utilisant le zoom optique, ou digital si la résolution n'est pas trop altérée. Attention également à bien placer l'échelle à la même distance de l'objectif que l'objet en mouvement. 5. Faciliter le pointage Pour réaliser un bon pointage, il faut que l'objet ou la partie du personnage en mouvement que l'on souhaite analyser soit clairement identifiable et puisse être pointé précisément. Si l'objet est trop petit, on choisira un autre objet ou on se rapprochera. Si l'objet ou le personnage sont larges, on placera un signe distinctif qui servira de référence pour toute la séquence de pointage. Pensez également à travailler sur le contraste entre le fond et l'objet pour qu'il ressorte mieux sur l'écran. Un fond uniforme est souvent préférable. 6. Ajuster la cadence La cadence est le nombre d'images par seconde qui sont capturées par la caméra. Plus la cadence est importante et plus l'image du mouvement sera nette, mais en contrepartie, moins la résolution de l'image sera bonne. Pour les mouvements relativement lents, une cadence de 30 ou 60 images par seconde est suffisante (les cadences par défaut des smartphones). Si le mouvement est rapide, une cadence trop lente donnera des images "baveuses" il ne sera pas possible de faire un pointage précis. Il faut alors mieux filmer avec une cadence supérieure de 120 ou 240 images par seconde. FizziQ reconnait les différentes cadences mais on s'assurera bien dans l'analyse que l'écart de temps entre les images est respecté. Ceci est fait durant la séquence de pointage. 7. Vérifier le cadre Avant de commencer à enregistrer, il est préférable de s'assurer que toutes les parties du mouvement que l'on souhaite enregistrer sont dans le cadre de l'appareil. On doit à la fois avoir un plan suffisamment serré pour que le pointage puisse se faire en détail, mais suffisamment large pour avoir le début et la fin de la séquence. Bon tournage ! Pour en savoir plus sur l'analyse cinématique, vous pouvez visionner l'excellente vidéo de Jean-Michel Courty pour Billes de Sciences sur le sujet. Vous trouverez des exemples de vidéos que vous pouvez télécharger dans notre bibliothèque de vidéos cinématiques Pour en savoir plus sur l'utilisation de FizziQ pour l'analyse cinématique, rendez-vous dans notre Base de Connaissance.

Dans cet article, nous proposons cinq activités dans le domaine des mathématiques à réaliser avec son smartphone. Elles peuvent être proposées aux élèves de collège et lycée durant les cours de mathématiques ou pour un travail à la maison. Loi des sinus Calcul de hauteurs Cycloïde Triangulation Incertitude sur la mesure 1. Pourquoi faire des maths avec un smartphone Certains élèves peuvent trouver les mathématiques trop abstraites et difficiles à comprendre, surtout si le programme se concentre principalement sur la théorie et la résolution de problèmes abstraits sans montrer leur pertinence dans le monde réel. Cela peut rendre les mathématiques ennuyeuses et frustrantes pour certains élèves. L'utilisation du smartphone ou de la tablette, outil que tous les élèves ont dans leur poche ou leur cartable, permet de montrer sur des cas concrets de la vie de tous les jours à quoi servent les mathématiques. Ces appareils digitaux possèdent de nombreux capteurs comme l'accéléromètre, le GPS, la caméra ou le microphone qui peuvent être utilisés pour faire des mesures de précision grâce à des applications gratuites comme FizziQ. En utilisant son smartphone pour mettre en application la théorie du cours ou pour aborder des problèmes par la méthode d'expérimentation, l'élève devient plus engagé, comprend l'intérêt des sciences et apprend le raisonnement scientifique par la pratique. Nous proposons ici cinq activités facilement réalisable en classe ou à la maison et qui permet à l'élève de mettre en pratique les concepts qu'il a appris sur les angles, les relations trigonométriques, ou la statistique. Bien sûr cette liste n'est pas exhaustive et nous encourageons chacun à partager avec nous de nouvelles activités et protocoles ! 2. La loi des sinus La loi des sinus reste une formule très théorique pour les élèves. Cette loi mathématique qui décrit la relation entre les angles et les longueurs des côtés d'un triangle quelconque : Dans un triangle ABC, les rapports entre les longueurs des côtés et les sinus des angles opposés sont égaux : a / sin(A) = b / sin(B) = c / sin(C) où a, b et c sont les longueurs des côtés du triangle, et A, B et C sont les angles opposés respectivement. En d'autres termes, la loi des sinus indique que le rapport entre chaque côté du triangle et le sinus de l'angle opposé à ce côté est constant pour tous les côtés et tous les angles d'un même triangle. Cela signifie que si vous connaissez la mesure de deux angles et un côté du triangle, vous pouvez utiliser la loi des sinus pour calculer les mesures des autres côtés et angles du triangle. une activité intéressante pour les élèves consiste à leur faire mesurer une distance qu'ils ne peuvent pas mesurer avec un outil habituel d'arpentage. Par exemple car il existe un obstacle entre les deux points comme un cours d'eau ou une rivière infranchissable. Dans l'activité que nous proposons, les élèves utilisent le théodolite de l'application FizziQ et la loi des sinus pour mesurer les longueurs d'un triangle dans la cour de récréation, on pourra symboliser un cours d'eau au milieu de la cours pour bien faire comprendre l'utilité de la méthode. Cette mise en pratique permet une acquisition rapide et expérimentale du concept, montre aux élèves une application pratique d'une formule très abstraite, et peut être réalisée indifféremment avec une tablette ou un smartphone. Télécharger l'activité Loi des sinus : https://www.fizziq.org/team/loi-des-sinus Notre vidéo sur la mesure d'une distance avec le théodolite : 3. Calcul de hauteurs Qui ne connaît pas l'histoire apocryphe de Niels Bohr et du calcul de la hauteur d'un immeuble à l'aide d'un baromètre. Elle décrit l'inventivité du jeune Niels qui, pour répondre à un énoncé de physique, trouve une quantité de solutions techniquement justes, mais intentionnellement hors sujet. Dans cette activité, les élèves vont utiliser plusieurs façons d'utiliser, non pas le baromètre, mais le theodolite de FizziQ pour calculer la hauteur d'un bâtiment de l'école. En confrontant leurs résultats ils pourront déterminer la meilleure solution. Attention, laisser tomber son portable n'est pas une option ! Lire la fiche pédagogique de la main à la pâte : https://fondation-lamap.org/sites/default/files/sequence_pdf/Defi-mesure-batiment.pdf La vidéo Billes de Sciences par "La physique autrement" : 4. Etude d'une cycloïde Quand les mathématiques rejoignent la physique ! Une cycloïde est la courbe représentant la trajectoire d’un point fixé à un cercle qui roule sans glissement et à vitesse constante sur une route. La cycloïde a de nombreuses propriétés intéressantes. Par exemple, la longueur de la cycloïde est égale à 4 fois le rayon du cercle, et la surface sous la cycloïde est 3 fois la surface du cercle. En outre, la cycloïde est une courbe brachistochrone, c'est-à-dire que tout objet qui suit la courbe sous l'effet de la gravité atteindra le point final plus rapidement que s'il suivait toute autre trajectoire. Dans cette activité, l'élève va filmer un point sur la roue d'un vélo, ou il peut également utiliser la vidéo de cycloïde téléchargeable à partir de la bibliothèque de vidéos cinématique, pour réaliser une analyse cinématique du mouvement du point. Cette analyse lui permet de visualiser la trajectoire suivie par un point de la roue, ou d'autres points du rayon. Il peut également exporter les données vers un tableaur Excel. Cette expérience simple et rapide à mettre en oeuvre permet à l'élève de se familiariser avec l'analyse cinématique, l'équation des courbes, et il peut faire son propre film de la roue d'un vélo en mouvement. Télécharger l'activité Etude de la Cycloïde : https://www.fizziq.org/team/cycloide 5. Triangulation L'activité sur la loi des sinus peut être poursuivie par un calcul de distance par triangulation. On crédite Leon Battista Alberti comme l'un des premiers à se pencher sur une méthode de calcul des distances éloignées, mais c'est avec la cartographie de la terre et les recherches sur sa forme que la méthode de triangulation devient un outil extrêmement puissant de mesure. On pourra d'abord faire un rappel historique sur le calcul de la longueur du méridien par les astronomes, Pierre Méchain et Jean-Baptiste Delambre et la définition du mètre. Sous forme de séance d'investigation, on abordera également les différents problèmes que pose la mesure de longueur sur des terrains accidentés et l'utilité de la méthode de triangulation. Comme séance de travaux pratiques, dans la cour de récréation, ou mieux sur un grand terrain, on utilisera alors le théodolite pour calculer une longueur importante, et on vérifiera les résultats sur un site de cartographie satellite. On pourra par exemple demander aux élève de calculer la plus grande longueur possible autour de chez eux en utilisant la triangulation. Le protocole s'appuie sur les notations décrites dans cette vidéo : L'activité Triangulation téléchargeable dans FizziQ : https://www.fizziq.org/team/triangulation 6. Variabilité des mesures Cette activité propose de faire travailler les élèves sur la variabilité de la mesure d’une grandeur physique. Elle peut également être utilisée dans le cadre du projet expérimental et numérique. FizziQ permet d'enregistrer un grand nombre de données produites par les capteurs (accélération, magnétisme, fréquence, volume sonore). Ces données peuvent être analysées par les élèves directement dans le cahier d'expériences ou exportées dans un tableur. Elles permettent de répondre à différents types de questionnements : quelle est la précision d'une mesure ? comment améliorer la précision ? quel smartphone est le plus précis ? comment rendre compte de la dispersion d'une mesure ? Télécharger l'activité Incertitude : https://www.fizziq.org/team/incertitude Consulter la fiche pédagogique de La main à la pâte sur "Mesures et incertitude" : https://fondation-lamap.org/sites/default/files/sequence_pdf/mesures-et-incertitudes-defi-fizziq.pdf 7. En conclusion Bien que son nom ne l'indique pas, FizziQ est utilisable dans de nombreux autres domaines que la physique. Mathématiques, SVT, chimie, musique, géographie, sports, les instruments de FizziQ permettent aux élèves de faire des mesures et des travaux d'analyse dans de nombreux domaines et ainsi mieux comprendre le monde qui les entoure. ------------------------ P.S. Merci à Guillaume Lefranc pour ses protocoles et vidéos sur les mathématique, à Julien Bobroff et Frédéric Bouquet pour la vidéo sur le calcul de hauteurs, et à Aline Chaillou et Pauline Bacle pour les fiches pédagogiques La main à la Pâte.

Le mouvement des athlètes est l'un des sujets d'étude cinématique les plus intéressants. La précision des gestes, la transformation des énergies, la complexité des trajectoires sont autant de sujets passionnants à étudier pour l'élève, dans un domaine qui lui est en général familier. Dans ce post, nous analysons la discipline la plus complexe de l'athlétisme : le saut à la perche. Ce mouvement est intéressant car il permet d'étudier les multiples transformations de l'énergie : énergie cinétique de la course d'abord, énergie élastique de compression de la perche ensuite, puis énergie potentielle du saut. 1. Qu'est-ce que l'analyse cinématique ? La cinématique est une méthode utilisée en physique pour décrire les mouvements d'un objet ou d'un système en utilisant des grandeurs géométriques telles que la position, la vitesse et l'accélération. Elle ne considère pas les forces qui causent le mouvement, mais se concentre uniquement sur la description de celui-ci et sa dynamique. Cette analyse permet d'étudier les différents types de mouvements, tels que le mouvement parabolique, le mouvement rectiligne uniforme et le mouvement circulaire. Les lois du mouvement sont exprimées à l'aide de vecteurs et de projections pour décrire la trajectoire d'un objet ou d'un corps dans l'espace-temps. L'analyse cinématique peut se faire à partir d'une vidéo ou d'une chronophotographie. Elle est utilisée dans de nombreux domaines, tels que la mécanique, la robotique, l'aérodynamique, la balistique, et également pour étudier le mouvement des sportifs pour améliorer leurs performances. 2. Créer une vidéo pour l'analyse cinématique Pour faire une analyse pertinente de la dynamique d'un mouvement avec l'analyse cinématique, il faut disposer d'une bonne vidéo ou chronophotographie de ce mouvement. Nous avons rédigé un article sur les 7 règles à respecter pour filmer une vidéo exploitable pour l'analyse. Pour faciliter le travail des enseignants, nous avons créé plus de 20 vidéos de mouvements qui sont téléchargeables directement dans l'application FizziQ. La vidéo que nous allons étudier se trouve dans l'espace Ressources où nous avons rassemblé de nombreuses vidéos pour l'étude en classe de la cinématique : www.fizziq.org/cinematique. Elle est également accessible directement à partir de l'application FizziQ. Cette vidéo est reconstituée en plan fixe à partir d'un film du championnat IAFF de Shangaï 2015. Analysons ce mouvement dans l'application FizziQ. Si c'est votre première utilisation du module Cinématique, vous pouvez consulter l'excellente vidéo de Jean-Michel Courty pour Billes de Sciences sur le sujet ou les pages Cinématiques dans la Base de Connaissance. 3. Analyse de la trajectoire Intéressons-nous tout d'abord à la trajectoire de la perchiste. A partir des données sur la position x et y dans le cahier d'expériences, on visualise les différentes phases du mouvement : course horizontale, phase ascensionnelle, progressive au début, puis verticale, atteignant l'apogée à 2,4 secondes, puis chute sur le tapis. En visionnant la vidéo image par image, on peut également identifier des mouvements particuliers sur lesquels nous reviendrons lors de l'analyse des énergies : - le planté et décollage qui intervient après la butée. La perchiste donne une dernière impulsion horizontale et garde les bras tendus. La perche se comprime, se courbe et effectue un mouvement de rotation vers l'avant. L'athlète décolle du sol. - le balancement et retournement dans laquelle l'athlète effectue un mouvement de rotation autour de la prise qui augmente la compression de la perche. Ce mouvement se termine avec les pieds par dessus tête. - le redressement durant laquelle la perche se redresse et la perchiste continue de se propulser vers le haut avec ses bras. 4. Analyse des vitesses A présent, intéressons-nous à la vitesse horizontale de l'athlète. Jusqu'à 0,8 secondes, la course est faite à vitesse constante. Quand la perche vient buter contre le butoir, la vitesse horizontale chute linéairement alors que la perche se comprime et ralentit le mouvement horizontal. Cette phase terminée, quand la perche est verticale et détendue, la vitesse horizontale est constante puisque l'athlète n'est soumise à aucune force horizontale. Il est intéressant de noter que, dans la phase ascensionnelle, la vitesse horizontale diminue linéairement, ce qui suggèrerait que la force horizontale de compression exercée par la perche est constante. L'étude de la vitesse verticale permet de mieux visualiser la phase durant laquelle la perche est lâchée. Sur la vidéo, la perche se détend entièrement à 1,9 seconde. A ce moment, l'athlète ne semble plus pouvoir utiliser le support de la perche pour bénéficier d'un surcroît d'accélération verticale et la seule force qui s'exerce alors sur elle est l'apesanteur. L'apogée est atteint quand la vitesse verticale est nulle, vers 2,4 s. 5. Bilan énergétique L'analyse la plus intéresante est celle du bilan énergétique. Nous supposons ici que le poids de l'athlète est de 55 kg. On négligera le poids relativement faible de la perche dans l'analyse qui est de 2,5 kg. Nous traçons également sur le graphe l'énergie mécanique, somme de l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique. On constate que le gain d'énergie potentielle entre le début et la fin du mouvement est légèrement supérieur à l'énergie cinétique initiale. Ce n'est donc pas simplement l'énergie de la course initiale qui est transformée en énergie potentielle mais également l'injection d'énergie de la perchiste durant la phase de vol, qui permet de compenser les pertes d'énergies dues aux frottements et chocs mais également d'aller plus haut. Il y a trois phases d'apport d'énergie : l'impulsion avant le décollage, le retournement vers 1,3 s dans laquelle l'athlète utilise ses abdominaux pour effectuer une rotation et le redressement vers 1,8 s où il s'étend à la verticale. Phase de retournement Phase de redressement Chacune de ces actions procure une énergie supplémentaire pour que l'athlète aille plus haut. Le bilan énergétique à chaque phase du mouvement permet de répondre à nombre de questions. Par exemple : peut-on faire une estimation de l'apport d'énergie de l'athlète durant la phase de vol ? Si l'on néglige les pertes, on peut estimer l'énergie élastique au point de compression maximale : c'est la différence entre l'énergie mécanique initiale et l'énergie mécanique en ce point, soit environ 1300 J. L'énergie potentielle nécessaire pour passer du point de retournement à l'apogée étant d'environ 2000 J, on calcule un apport d'énergie de l'athlète durant la phase de vol d'au moins 700 J, soit l'équivalent d'un gain de hauteur d'au moins 1,30m ! On voit donc bien la raison de la complexité du mouvement du saut à la perche : l'enchaînement des mouvements nécessite à la fois d'assurer de la bonne transformation de la course en énergie élastique et sa restitution en énergie potentielle, mais également d'apporter un supplément d'énergie lors de la phase de vol pour gagner encore plus d'un mètre ! Belle coordination !! 6. Conclusion En quelques minutes nous avons pu réaliser une étude d'un mouvement complexe, celui d'une perchiste. L'analyse que nous venons de faire est succincte mais on voit cependant que l'on peut très rapidement obtenir des intuitions très intéressantes sur la physique du saut à la perche et, pourquoi pas, se poser la question des améliorations que l'athlète pourrait apporter à son mouvement afin de tirer le meilleur parti des lois de la physique ! Du point de vue pédagogique, la mise en situation interpelle immédiatement l'élève, et lui montre l'utilité de l'apprentissage des sciences pour comprendre le monde qui l'entoure. Le saut à la perche est un sport bien particulier mais des analyse similaires peuvent être faites sur le football, le basket ou d'autres sports dont les vidéos sont accessibles dans la bibliothèque cinématique. Mais nous encourageons tout particulièrement les élèves et les enseignants à réaliser leurs propres vidéos, et pourquoi pas, à les partager avec nous pour leur intégration sur le site FizziQ ! Pour en savoir plus sur les différentes phases du saut : https://www.comsol.fr/blogs/reaching-new-heights-in-pole-vaulting-a-multibody-analysis/ Pour en savoir plus sur la cinématique du saut à la perche, vous pouvez consulter l'article "Étude énergétique du saut à la perche" par Rémi Carmigniani, Christophe Clanet, Quentin Lustig et Sébastien Homo Pour en savoir plus sur la cinématique et le sport, vous pouvez visiter le site de l'école Polytechnique sur ce sujet : https://www.polytechnique.edu/fondation/actualites/toutes-les-actualites/sport-handisport-la-physique-au-service-des-athletes Pour voir les autres blogs sur le sujet du mouvement, suivre ce lien : https://www.fizziq.org/activité-mouvement Aide au maniement de FizziQ : - pour faire ses premiers pas avec le module Cinématique, consulter notre Base Connaissance > FizziQ > Cinématique : premiers pas - pour télécharger une vidéo à partir de l'espace Vidéos Cinématiques ou à partir d'un fichier localisé sur Internet, consulter notre Base Connaissance > FizziQ > Cinématique : télécharger une vidéo