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L'intégration de la technologie dans nos salles de classe apporte une dimension nouvelle et engageante à l'enseignement des sciences. Dans cet article nous étudions comment utiliser FizziQ pour réaliser une séance d'investigation scientifique en class en utilisant l'exemple de l'activité "Chloé et les diapasons" dont l'objectif est la découverte du calcul de la période d'un signal sonore. Le programme FizziQ ne permet bien sûr pas d'aborder tous les concepts abordés au collège et au lycée mais ce type d'outils permet néanmoins de couvrir un grand nombre de concepts théoriques du programme. L'activité "Chloé et les diapasons" permet par exemple d'aborder plusieurs séquences au programme de collège : Sciences physiques Cycle 4 et Seconde : Signaux sonores : Notion de fréquence : sons audibles, infrasons et ultrasons. Croisements entre enseignements :En lien avec l’éducation musicale, Information et communication : signaux sonores (émetteurs et récepteurs sonores : micro...) signaux lumineux, signaux électriques. Éducation musicale Cycle 3 : Par le travail de la perception, celui de l’écoute de la musique, les élèves développent leurs capacités à percevoir des caractéristiques plus fines et des organisations plus complexes de la musique ; ils apprennent à identifier des relations, des ressemblances et des différences entre plusieurs œuvres. Manipulation d’objets sonores à l’aide d’outils numériques appropriés. Education musicale Cycle 4 : « Culture et création artistiques », « Sciences, technologie et société », en lien avec la technologie, la physique- chimie, les mathématiques, le français, les arts plastiques. L’impact des technologies et du numérique sur notre rapport à l’art ; aux sons, à la musique, à l’information. Préparation Les outils digitaux tels que FizziQ sont largement éprouvés pour l'enseignement des sciences. Fizziq est utilisé par des milliers d'élèves chaque jour donc pas d'inquiétude, l'application ne buguera pas. Par contre si son fonctionnement est extrêmement intuitif pour les élèves, les adultes peuvent parfois éprouver des difficultés à trouver telle ou telle fonction. Pour cela il sera utilise de se familiariser avec l'application avant de faire son premier cours. On demandera dans les jours qui précèdent le cours aux élèves de télécharger l'application sur leur smartphone ou tablette. L'application Fizziq est gratuite et sans partage de données personnelles donc son téléchargement ne posera pas de problèmes en terme de confidentialité ou RGPD. Il sera utile que les élèves se familiarisent avec l'application, ils peuvent le faire à la maison après avoir téléchargé le programme. L'utilisation de smartphone en classe est soumis à certaines contraintes et on peut avoir à demander l'aval du proviseur pour son utiisation. Il est très rare que cette autorisation soit refusée étant donné que l'utilisation par les élèves est purement scolaire. L'application Fizziq n'est pas un jeu et c'est un véritable instrument scientifique. En terme de matériel, l'application FizziQ dispose de tout ce dont on a besoin pour faire un cours complet sur le son. On trouvera les instrument de mesure tels qu'un oscilloscope pour visualiser le signal, un fréquencemètre pour mesurer les fréquences fondamentale ou dominante et le spectre, un sonomètre pour mesurer le niveau sonore et le niveau moyen. Mais FizziQ possède également la capacité d'émettre un gamme étendu de son, des sons purs et sons complexes avec le synthétiseur, ou des sons des la vie de tous les jours avec la bibliothèque de sons qui inclue des sons d'instruments de musique, des bruits blancs, des sons pour mesurer l'effet Doppler, et bien plus. Malgré les possibilités de FizziQ, rien ne remplace l'utilisation de vrais instruments de musique pour étudier le son. On peut donc ajuster le défi pour s'adapter à l'utilisation des instruments disponibles en classe. Le défi Dans le cadre de la méthode d'investigation, il est intéressant de proposer un défi aux élèves. Voilà le défi et le protocole que l'on pourra proposer aux élèves dans le cadres de l'activité "Chloé et les diapasons". Défi : En explorant le grenier poussiéreux de ses grands-parents, Chloé tombe sur une boîte mystérieuse gravée de motifs musicaux. À l'intérieur, elle découvre trois diapasons, chacun portant une inscription unique - "Mozart", "Philharmonic Pitch", et "La3". Intriguée, Chloé les fait résonner un à un, mais s'étonne d'entendre des tonalités distinctement différentes. Votre mission est de l'aider à dévoiler le mystère derrière ces variations sonores et de retracer l'histoire et l'origine de chaque diapason. Pour mener à bien cette enquête sonore, vous serez équipé de l'application FizziQ et de ses outils d'analyse acoustique. Protocole de l'activité : Recherche Historique : Avant de commencer l'expérience, effectuez une brève recherche sur l'histoire des diapasons, les standards de fréquence au fil du temps. Cela vous donnera des indices sur l'origine possible de chaque diapason. Ecoute des diapasons : Vous trouverez les différents diapasons dans la bibliothèque de sons de l'application FizziQ, situé dans le menu Outils. Ecoutez les différents diapasons, quelle est la différence de sonorité ? Comment peut-on caratériser cette différence ? Analyse Acoustique : Déterminer la fréquence de chaque diapason de deux manières différentes. On pourra utiliser l'instrument "Fréquence Fondamentale", et l'instrument "Amplitude" pour mesurer les fréquences. Interprétation et Conclusion : Sur la base de vos mesures et recherches, élaborez une explication sur pourquoi chaque diapason produit une note différente. Reliez vos découvertes aux époques historiques, aux pratiques d'accord, et à l'évolution des standards musicaux. Présentation des Résultats : Préparez une présentation ou un rapport incluant vos hypothèses, méthodes d'analyse, résultats, et conclusions. Partagez vos découvertes avec la classe, en illustrant comment la science et l'histoire se rencontrent dans l'étude des diapasons. Extension : Pour aller plus loin, explorez comment les différentes fréquences des diapasons peuvent influencer l'accord d'instruments modernes. Vous pouvez également créer une expérience comparant la perception des fréquences par différentes personnes. Déroulement de l'activité L'activité se déroule sur environ 30-45 minutes. Elle se déroule en plusieurs étapes : Organisation : organiser les élèves par groupe de 3 ou 4. Chaque groupe utilisera un seul smartphone ou tablette. Répartir les différents groupes dans la classe. Il peut être préférable de faire les manipulations en extérieur ce qui permet d'éviter les interférences et un bruit trop important dans la classe. Préparation : Assurez-vous que l'application FizziQ est bien installée et fonctionnelle sur tous les appareils avant de commencer l'activité. Mettre les appareils sur mode Avion pour éviter que les élèves soient distraits ou que des notifications ne viennent perturber les mesures. . Familiarisation avec l'application : Dans un premier temps, laisser les élèves pendant au moins 5 minutes se familiariser avec l'application. Ils regarderont les différentes fonctionnalités et en général appuieront sur tous les boutons. Demander leur d'identifier les instruements de mesure, le cahier d'expérience et les outils musicaux. Réalisation de l'activité : Une fois la période de familiarisation écoulée, laissez les élèves conduire leur investigation. Encouragez les à découvrir les fonctionalités de l'application. Demandez leur de réaliser un cahier d'expérience qui contiendrales mesures, du texte et des photos Partage : Demandez aux élèves d'exporter leur cahier d'expérience sous forme PDF et de l'envoyer par mail ou par d'autres moyens de communication. Précautions Pour garantir le succès et la sécurité de l'activité, il est essentiel de prendre certaines précautions. Ces mesures contribueront à assurer une expérience d'apprentissage à la fois enrichissante et sûre pour les élèves. Danger lié aux sons forts : Rappeler aux élèves de maintenir un volume sonore raisonnable lors de l'utilisation des diapasons pour éviter les nuisances sonores et protéger l'audition. Si des élèves ont des sensibilités auditives, envisagez des adaptations pour leur permettre de participer confortablement. Utilisation des Appareils Électroniques : Encouragez les élèves à manipuler les appareils avec soin pour éviter les chutes ou les dommages. Hygiène et Sécurité : Si l'activité se déroule en période de restrictions sanitaires, rappeler les mesures d'hygiène comme le lavage des mains et la désinfection des surfaces et des appareils partagés. Respect des Données et Confidentialité : Il est intéressant au cours de l'exercice de sensibiliser les élèves à la confidentialité et au respect des données s'ils partagent des enregistrements ou des observations. Les informations personnelles ne doivent pas être partagées sans consentement. Supervision et Assistance : Prévoyez une supervision adéquate pour aider les élèves à utiliser l'application et les instruments de musique de manière sûre et efficace. Soyez prêt à fournir une assistance technique et conceptuelle aux élèves qui en ont besoin. Réalisation de l'activité avec FizziQ Pour réaliser cette activité, on utilisera trois sons présents dans la bibliothèque de sons : le diapason La3 le diapason Mozart le Diapason Philharmonie Pitch On trouvera les sons de ces diapasons, on va dans le menu Outils en appuyant sur l'onglet en bas de l'écran, puis on sélectionne la Bibliothèque de sons, et dans le menu déroulant, on sélectionne l'un de ces trois sons. On appuie sur le bouton Play pour jouer le son. Pour mesurer la fréquence fondamentale d'un son, on utilise le fréquencemètre accessible à partir de l'écran Mesures (onglet en bas de l'écran) et on sélectionne la fréquence fondamentale. La fréquence du signal est calculée à une fréquence de 20 Hertz, à partir des signaux capturés par le microphone. Fizziq permet de simultanément jouer le son et l'analyser. Pour cela on lance le son que l'on souhaite étudier à partir de la Bibliothèque ou du Synthétiseur, puis dans va dans l'onglet mesure et on fait la mesure alors que le son est joué par le haut-parleur. On ajuste le volume pour que l'analyse soit pertinente. Pour enregistrer une mesure, on peut soit prendre un instantané de la mesure en appuyant sur le bouton rouge avec un carré blanc, soit faire un enregistrement sur une période de temps en appuyant sur le bouton REC. Les données sont enregistrées dans le cahier d'expérience qui contient l'ensemble des mesures mais auquel on peut ajouter du texte ou des photos. le cahier peut être exporté au format PDF ou Excel. On peut créer et sauvegarder d'autres cahiers. Pour visualiser la forme de l'onde sonore, on va dans l'onglet Mesures, puis Microphone, et Amplitude. Cet instrument permet de visualiser l'oscillogramme de l'onde sonore en temps réel. Pour enregistrer la mesure, on appuie sur le bouton rouge avec un carré blanc qui permet de faire une mesure instantanée. Dans le cahier, on peut utiliser la loupe pour faire une mesure de la période du signal. Pour activer la loupe, on appui sur l'écran et on déplace le curseur. On notera que l'on peut zoomer sur le graphique ou changer son format. Dans le cahier pour ajouter des photos ou du texte au cahier, on appuie sur le bouton + qui donne accès à d'autres fonctionnalités. Debriefing A la fin de la séance on demandera aux élèves de partager leur cahier d'expérience. Ce cahier sera complété avec des photos et du texte donnant, les hypothèses, le raisonnement et les conclusions de l'activité. FizziQ permet de partager les cahiers au format PDF. si des analyses supplémentaires doiveêtnt re réalisées, on pourra également partager les données au format Excel ou Python. Les élèves peuvent échanger des données en utilisant le partage par QR code qui se trouve en haut à droite de chaque carte d'observation. Il suffit de scanner ce QR code à partir de l'application, en appuyant sur + dans le cahier d'expérience, puis Observation. Les données arrivent automatiquement dans le cahier d'expérience. Chaque élève peut ainsi créer son propre cahier à partir des données du groupe. Quand chaque groupe a réalisé et partagé son cahier, on peut alors faire un débriefing sur l'activité, les difficultés que l'on a rencontré et les conclusions auxquelles les groupes sont arrivé. Le débriefing, ou le retour d'expérience, qui suit l'activité est crucial. Il permet aux élèves de réfléchir sur leur apprentissage, de partager des insights et de renforcer leur compréhension des concepts étudiés. C'est également un moment précieux pour l'enseignant, qui peut évaluer l'efficacité de l'activité, recueillir des feedbacks pour des améliorations futures et, surtout, célébrer les réussites des élèves. Conclusion L'activité "L'Enquête des Diapasons de Chloé" offre aux élèves une opportunité unique d'explorer les notions fondamentales de la physique du son, telles que la fréquence et la période, tout en tissant des liens enrichissants avec l'histoire de la musique et la technologie moderne via l'application FizziQ. En mettant en œuvre les précautions nécessaires, les enseignants peuvent créer un environnement d'apprentissage sûr et stimulant qui encourage les élèves à devenir des chercheurs actifs, à développer leur esprit critique et à appliquer leurs connaissances théoriques dans des contextes pratiques et historiques. Cette activité illustre parfaitement comment l'enseignement des sciences peut être rendu vivant et pertinent pour les élèves, en démontrant l'interconnectivité des domaines scientifiques, technologiques et artistiques. En se plongeant dans l'histoire et la science derrière chaque diapason, les élèves ne se contentent pas d'apprendre des faits ; ils s'engagent dans un processus de découverte qui valorise la curiosité, l'investigation et l'analyse critique.

Le concept de gravité n'est pas toujours facile à appréhender. Dans cet article en deux parties, nous proposons sept expériences, facilement réalisables avec un smartphone, qui permettent de mieux comprendre ce phénomène physique. Elles nous emmèneront à bord d'un avion Zero G, sur la lune, en Italie, à 10 000 mètres d'altitude ou à l'équateur : êtes-vous prêts ? Table des matières : Qu'est-ce que la gravité ? - Utiliser un smartphone pour étudier la gravité - Vol zéro G - Expérience de pensée de l'ascenseur d'Einstein - Accélération linéaire et absolue - Mesurer g - Un pendule sur la Lune - Trajectoire d'une chute - Pèse-t-on moins lourd sur l'Everest ? - Comment fonctionne un accéléromètre - Le mystère du pendule à l'équateur Qu’est-ce que la gravité ? La gravité est une force fondamentale de l'univers qui régit l'interaction entre les corps à l’échelle macroscopique. Elle est responsable de l'attraction mutuelle entre tous les objets possédant une masse. Lorsque nous laissons tomber un objet, il tombe vers le sol en raison de la force gravitationnelle exercée par la Terre. Galilée est le premier à avoir étudié le phénomène de la chute des corps de manière scientifique. L’expérience de Galilée sur la chute des corps du haut de la tour de Pise est probablement un mythe, mais de nombreuses expériences de pensée lui ont permis de montrer que, contrairement à l'idée préconçue, deux objets de masses différentes chutent (sans frottements) à la même vitesse. De plus, en étudiant une balle qui roule librement le long d’un plan incliné, il calcule que la distance que parcourt la balle augmente avec le carré du temps écoulé. Cette loi sera démontrée un siècle plus tard avec à la théorie de la gravité proposée par Sir Isaac Newton. Il postule que chaque objet dans l'univers attire tous les autres objets avec une force proportionnelle à leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Selon la loi de la gravitation universelle de Newton, la force gravitationnelle (F) entre deux objets de masse (m1) et (m2) séparés par une distance (r) est donnée par l'équation : F = G * (m1 * m2) / r², où G est la constante de gravitation universelle, qui a une valeur d'environ 6,674 × 10^-11 N(m/kg)². Pour un objet sur la surface de la terre, la force gravitationnelle qui s’applique à un objet, aussi appelé le poids de l’objet, peut s'écrire simplement : F = m * g, où g est l’accélération de la pesanteur, et m la masse d’un objet. La valeur de l'accélération de la pesanteur g est d'environ 9,81 m/s². La Terre n’étant pas une sphère parfaite et du fait de la force centrifuge qui varie en fonction de la latitude, l’accélération de la pesanteur varie légèrement en fonction de la localisation. Par exemple, elle est légèrement plus élevée aux pôles et légèrement plus basse à l'équateur. D’autre part g varie également en fonction de l’altitude puisque la distance entre les deux masses, la Terre et l’objet est plus éloignée. A une altitude de 10 000 mètres, g = 9,74 m/s² La théorie de Newton ne permet cependant pas d’expliquer certains phénomènes planétaires et pose d'autres questions comme par exemple d’où vient la force et pourquoi son action est instantanée. La théorie de la relativité générale, formulée par Albert Einstein au début du XXe siècle, apporte une approche révolutionnaire à la gravité. Contrairement à la vision newtonienne de la gravité comme une force d'attraction à distance, Einstein décrit la gravité comme une déformation de l'espace-temps causée par la présence de masse et d'énergie. Dans cette théorie, les objets se déplacent le long de courbes géodésiques dans l'espace-temps courbé, créant l'effet perçu comme une force gravitationnelle. Ainsi, selon la théorie de la relativité générale, la gravité n'est pas une force mystérieuse d'attraction, mais plutôt une conséquence de la courbure de l'espace-temps induite par la distribution de masse et d’énergie. La théorie de la relativité générale a été confirmée par de nombreuses observations et expériences, notamment les déviations de la lumière des étoiles lorsqu'elle passe près du Soleil, connues sous le nom d'effet de lentille gravitationnelle, et la précession de l'orbite de Mercure autour du Soleil. Utiliser un smartphone pour étudier la gravité Maintenant que nous en savons un peu plus sur la gravité, expérimentons avec ! Facile à dire, mais quels instruments scientifiques avons-nous à disposition pour analyser ce phénomène complexe ? Heureusement, tout le monde a dans sa poche l'instrument idéal pour étudier la gravité : un smartphone. Les smartphones, omniprésents et intégraux à la vie quotidienne, possèdent une capacité unique à transformer notre approche de l'éducation et de l'exploration scientifique, particulièrement dans l'étude des forces fondamentales telles que la gravité. Les smartphones sont équipés d'une variété de capteurs qui peuvent mesurer l'accélération, l'orientation et le mouvement. Cela inclut des accéléromètres, des gyroscopes et des magnétomètres, qui peuvent détecter les changements de mouvement et d'orientation par rapport au champ gravitationnel de la Terre. Des applications gratuites comme FizziQ offrent un accès simple et direct à tous ces capteurs et permettent aux étudiants et aux éducateurs de mener des expériences pour observer et quantifier l'accélération gravitationnelle en temps réel. Cette approche pratique démystifie les concepts abstraits et permet aux apprenants d'observer directement les lois physiques en action. Dans cet article, nous utiliserons spécifiquement les instruments suivants disponibles dans FizziQ : L'Accélération Absolue qui fournit le résultat des forces appliquées au smartphone dans toutes les directions L'analyse de mouvement vidéo, un outil unique dans FizziQ pour analyser rapidement les vidéos et la chronophotographie d'objets en chute L'intensité sonore qui fournit une mesure précise du niveau sonore et de ses écarts et permettra de proposer une manière de calculer g D'autres capteurs comme le magnétomètre, le gyroscope ou l'accélération linéaire peuvent également être utiles pour compléter les instruments décrits ci-dessus. Une autre caractéristique utile des applications comme FizziQ est de fournir un environnement complet pour recueillir, analyser et partager les données. Les applications disposent de chronomètres ou de déclencheurs pour commencer ou terminer les mesures automatiquement, elles incluent également des cahiers pour organiser les données, créer des graphiques dans différents formats et ajouter du texte et des photos pour enregistrer les paramètres des expériences. Toutes les applications ont la capacité de partager les données au format PDF, Excel ou même Python afin que des analyses plus poussées puissent être menées sur les informations brutes. Les smartphones et les tablettes sont donc l'outil idéal pour mener des expérimentations simples en science et surtout pour comprendre le concept de gravité. Prêt à essayer nos sept expériences scientifiques édifiantes ? Vol Zero G Pour entraîner les astronautes à l'apesanteur, c'est-dire l'absence de gravité, on les soumet à des vols Zéro G. Les astronautes sont placés dans la carlingue vide de l'avion, les parois intérieures de l'appareil sont recouvertes de matelas. Dans ces vols, l’avion décrit des paraboles. Pendant la fin de la phase ascendante, puis le début de la phase descendante, les astronautes peuvent enlever leurs ceintures de sécurité et voler librement dans la carlingue comme si ils étaient en apesanteur. Que se passe-t-il à l'intérieur de la cabine ? L'expérience suivante à réaliser avec un smartphone permet de reproduire fidèlement le phénomène. Tout d'abord, posons notre smartphone sur une table puis dans FizziQ ouvrons l’instrument de mesure Accélération absolue. Nous voyons apparaître la valeur de 9,80 m/s². Si nous orientons le portable différemment dans toutes les directions, nous voyons que la valeur reste constante à environ 9,80 m/s². Le smartphone est soumis à une force équivalente à une accélération de 9,80 m/s², l'accélération de la pesanteur. Puisque le smartphone posé sur une table ne bouge pas, ce qui veut dire qu’il y a une autre force, qui est créée par la table qui pousse en sens inverse et permet au mobile d’être au repos. C'est la force de réaction de la table. Que se passe-t-il si on enlève la table ? Plaçons un matelas par terre, ou mieux utilisons un lit moelleux, puis appuyons sur le bouton enregistrer et lançons notre smartphone pour qu'il décrive une parabole et qu’il retombe sur le matelas. Après avoir arrêter l'enregistrement que l'on ajoute au cahier d'expérience, on constate que pendant tout la période en l’air, l’accélération mesurée est nulle. Bien que le smartphone ait été en chute libre, et donc que sa vitesse verticale ait varié pour un observateur placé sur terre, le smartphone lui ne perçoit aucune force, il est en apesanteur. Revenons au cas du vol Zéro G. Au début de la phase ascendante, les astronautes sont soumis à une accélération qui va leur faire décrire un mouvement parabolique, puis l'avion ralenti et aligne sa vitesse verticale et horizontale sur celle des passagers en chute libre. Les astronautes ont la sensation d'être en apesanteur, car ils flottent dans la carlingue. Cependant, pour un observateur extérieur à l’avion, les astronautes seraient en chute libre. De la même manière, l'accéléromètre dans notre smartphone détecte une accélération nulle car l'ensemble du smartphone auquel est attaché le petit poids de l'accéléromètre suit le même mouvement que lui. Nous reviendrons sur l'explication de ce phénomène dans une autre expérience. Expérience de pensée de l'ascenseur d'Einstein Une expérience de pensée est un scénario hypothétique utilisé pour explorer les conséquences d'un principe ou d'une théorie en l'absence d'expérimentation physique réelle. Elle implique de raisonner sur un problème en utilisant uniquement l'imagination et la connaissance des lois physiques, sans nécessiter de preuves empiriques ou d'exécution pratique. Les expériences de pensée ont été employées dans divers domaines, y compris la physique, la philosophie, les mathématiques et l'éthique, servant d'outil puissant pour conceptualiser des idées, remettre en question les notions existantes et stimuler l'exploration intellectuelle. Albert Einstein, l'un des utilisateurs les plus éminents des expériences de pensée, les a largement utilisées pour développer ses théories révolutionnaires en physique, y compris les théories de la relativité restreinte et générale. Les expériences de pensée d'Einstein lui ont permis de visualiser des problèmes complexes et des paradoxes en physique qui étaient difficiles ou impossibles à tester avec la technologie disponible à son époque. L'une des expériences de pensée les plus célèbres d'Einstein est le scénario de "la poursuite d'un faisceau de lumière", qu'il a conçu à l'âge de 16 ans. Cette expérience de pensée l'a conduit à remettre en question les notions établies d'espace et de temps, contribuant finalement au développement de la théorie de la relativité restreinte. Dans cette expérience, Einstein imaginait ce que ce serait de voyager à côté d'un faisceau de lumière. S'il se déplaçait à la vitesse de la lumière à côté du faisceau, il réalisait que la lumière lui apparaîtrait immobile, ce qui contredisait les équations de Maxwell selon lesquelles la lumière voyage toujours à une vitesse constante, indépendamment du mouvement de l'observateur. Cette contradiction l'a conduit à explorer davantage la relation entre le temps, l'espace et la vitesse, aboutissant à son travail révolutionnaire sur la relativité. Une autre expérience de pensée liée à la gravité est l'expérience de pensée de l'ascenseur d'Einstein. Dans l'expérience, Einstein s'imaginait à l'intérieur d'un ascenseur fermé dans l'espace profond qui accélère vers le haut; une balle lâchée semble tomber vers le sol de manière similaire à l'attraction gravitationnelle de la Terre. En contraste, un ascenseur stationnaire près d'une planète comme la Terre subit un effet similaire dû à la gravité. L'essence de cette expérience de pensée est que, dans les limites de l'ascenseur, on ne peut pas distinguer entre les effets de la gravité et l'accélération pure. Le vol en apesanteur que nous avons décrit dans l'expérience précédente donne un bon exemple de ce qui se passe à l'intérieur de l'ascenseur d'Einstein. Le smartphone en chute libre est équivalent à un ascenseur qui tombe avec la même accélération que la gravité. À l'intérieur du smartphone, l'accéléromètre ne peut pas détecter s'il est en chute libre ou si la gravité est nulle. Cette expérience de pensée était cruciale pour Einstein car elle l'a amené à réaliser que la gravité et l'accélération sont localement indiscernables et que la gravité pourrait être considérée comme la courbure de l'espace-temps causée par la masse. Dans la relativité générale, la gravité n'est pas une force au sens traditionnel mais le résultat de masses se déplaçant le long des courbes dans l'espace-temps créées par la présence de masse et d'énergie. Accélération linéaire et absolue Dans une précédente expérience, nous avons mesuré l'accélération d'un smartphone au repos en utilisant l'application FizziQ. La valeur donnée par nos instruments a pu nous surprendre car si le smartphone est au repos, nous nous serions attendu à trouver une valeur nulle, plutôt que la valeur de 9,80 m/s². Ne serait-il pas possible d'obtenir une valeur équivalente à notre ressenti ? Autrement dit l'accélération due uniquement à nos mouvements en excluant la composante gravité ? On appelle cette accélération l'accélération linéaire ou accélération sans g. Ce qui est intéressant dans cette question est que l'accéléromètre dans notre corps est similaire l'accéléromètre d'un smartphone: il est affecté par la gravité. Mais en temps qu'humains soumis à la gravité depuis notre enfance, nous nous sommes habitués à vivre avec la gravité, et à la déduire automatiquement de nos perceptions. Des expériences ont ainsi montré qu'à quelques mois les bébés ont déjà acquis la notion qu'un objet tombe si il n'est pas tenu. Pour soustraire la gravité de nos perceptions, nous tenons compte de multiples facteur comme l'environnement ou d'autres sensations comme la rotation. Certaines expériences montrent cependant que ces sensations peuvent être trompées et nous ne pouvons alors plus nous fier à nos sens. peut-on calculer l'accélération linéaire avec un smartphone ? Quels autres capteurs utiliser pour ce calcul ? le smartphone pourra-t-il être trompé comme un humain ? Dans FizziQ, ouvrez la liste des Instruments et sélectionnez l'accélération linéaire Y. Maintenez votre portable vertical. Au repos vous constatez que la valeur est bien nulle. À présent, montez et descendez le portable et vous connaîtrez l'accélération du smartphone. Comparez ces résultats à ceux obtenus en utilisant l'accélération absolue Y. Celle-ci intègre bien le vecteur gravité. Contrairement à l'accélération absolue, il n'existe pas de capteurs pour mesurer l'accélération linéaire. Elle est le résultat de calculs utilisant une combinaison de capteurs : l'accéléromètre, le gyroscope et le magnétomètre. C'est la combinaison des informations données par ces trois capteurs qui permet de connaître l'accélération linéaire. L'accélération est mesurée par un système MEMS, un petit circuit intégré qui comporte des pièces mécaniques et des pièces électroniques complètement intégrées. Il est composé d'une petite masse connectée au cadre de l'appareil par un ressort. Quand le smartphone se déplace, la petite masse s'écarte par rapport au cadre à une distance qui va dépendre des caractéristiques du ressort. En mesurant cette distance, on calcule l'accélération qu'a subie le smartphone. Pour plus de détails, consulter notre blog qui décrit en détail le fonctionnement de l'accéléromètre. Comme la petite masse est soumise à la force de gravité, l'accélération mesurée par l'accéléromètre inclue l'accélération de la pesanteur g. Pour mesurer l'accélération linéaire, il faut donc soustraire le vecteur gravité, mais pour cela il faut connaître l'orientation du smartphone par rapport au vecteur gravitation. Il y a dans la plupart des portables deux autres autres capteurs qui peuvent donner cette information : le magnétomètre et le gyroscope. Ces deux capteurs sont également des MEMS. Le gyroscope est un capteur qui permet de calculer la vitesse de rotation de notre smartphone dans les trois directions. Il nous permet de calculer à tout moment comment le mobile a pivoté par rapport à sa position initiale. Grâce au gyroscope, nous pouvons déterminer à tout moment comment l'orientation du portable a été modifiée par rapport à son état initial de repos. En appliquant ces changements au vecteur initial calculé pour l’accélération de la pesanteur, on peut alors déduire de l'accélération absolue constatée sa composante, et ainsi déterminer l'accélération linéaire. Le magnétomètre peut également être utilisé pour calculer l’accélération linéaire. Il permet de calculer le champ magnétique auquel est soumis notre portable. En l’absence de tout autre champ magnétique (comme un aimant ou un objet ferromagnétique), le magnétomètre donne les coordonnées du champ magnétique terrestre, ce qui permet de connaître le nord par exemple. Ce champ est très stable et peut donc être utilisé comme référentiel absolu. Comme on connaît le champ magnétique à l'instant initial, on peut connaître les changements d'orientation du portable en comparant le vecteur du champ magnétique à tout instant, et donc d'ajuster la composante gravité de l'accélération pour déterminer l'accélération absolue. Avec une limite cependant : si un objet aimanté ou fer-magnétique est proche du capteur, sa mesure sera affectée et le référentiel sera faux. Ceci explique que le gyroscope soit un meilleur capteur pour calculer l’accélération linéaire que le magnétomètre. En combinant les informations de ces deux capteurs à celui de l'accélération, on peut ainsi connaître l'orientation du vecteur gravité et ainsi le soustraire des mesures faites par l'accéléromètre. Il est parfois difficile de se débarrasser de la gravité ! Mesurer g Un des paramètres essentiels de la théorie de la gravitation est l’accélération de la pesanteur, g. Selon que cette valeur est grande ou faible, on se sent lourd comme sur Terre ou léger comme sur la Lune. Nous avons vu que l’accéléromètre permettait d'estimer cette valeur, mais les scientifiques au XVIème siècle ne possédaient pas cet instrument. Peut-on calculer g sans utiliser l'accéléromètre ? Pour cela nous allons faire la même expérience que Galilée et mesurer le temps que met un corps à tomber d’une certaine hauteur. On sait que la relation qui lie la durée totale t de la chute d’un objet et la hauteur h à laquelle cet objet est lâché est h = 1/2*g*t². Pour calculer g il nous suffit donc de mesurer la durée de la chute d’un objet caché à une hauteur connue. Faisons une première expérience en prenant une balle que nous lâchons d’une certaine hauteur h, par exemple du premier étage d'un immeuble ou d'une maison, en faisant bien attention de ne faire de mal à personne ou de ne pas abimer quelque chose. Avec un chronomètre d'un smartphone, nous mesurons la durée de la chute. Nous avons mesuré la valeur de 0,95 s pour la durée d'une chute pour 3,5 m, ce qui donne une valeur de g de 7,75 m/s². Cette valeur n'est pas très précise, car il est difficile de démarrer et d'arrêter le chronomètre aux moments précis où on lâche la balle et où elle atterrit. Une erreur de 10% sur la durée entraîne une erreur de plus de 20% sur la mesurer de g. Le déclenchement du chronomètre à la main créant beaucoup d'aléas, il nous faut donc utiliser une méthode plus précise. Dans FizziQ nous disposons de la capacité d'enregistrer le volume sonore sur une période donnée. Nous allons donc créer un dispositif dans lequel un son est créé quand l'objet commence à tomber et un autre quand l'objet touche la terre. Il ne nous suffira alors de mesurer l'intervalle de temps entre ces deux évènements. Dans cette expérience, nous faisons tomber un boulon d'une étagère de manière à générer un bruit au moment ou il commence sa chute et un autre au moment où il la termine. Plaçons le boulon tout au bord de l'étagère puis avec un outil, on donne un coup brusque sur le boulon pour le pousser dans le vide en créant un petit bruit caractéristique. Quand le boulon heurte le sol, il émet un autre bruit du choc. Avec FizziQ on mesure le temps écoulé : on sélectionne le volume sonore, puis on lance l'enregistrement et on fait l'expérience décrite précisément. Quand le boulon a atteint le sol, on arrête l'enregistrement. En étudiant les données dans le cahier d'expériences, on peut déterminer avec précision le premier et le deuxième choc, et donc avoir une mesure précise du temps de chute. La photo montre le dispositif utilisé et le graphique, la mesure réalisée. L’étage à une hauteur de 1,28 m et la durée mesurée est 0,51 s, ce qui donne une valeur de g de 9,84 m/s². Pour améliorer la mesure, on peut utiliser un chronomètre sonore comme pour la mesure de la vitesse du son : https://www.fizziq.org/team/boum. On peut aussi utiliser un déclenchement avec l'accélération : https://www.fizziq.org/team/galilée. Peut-être aurez-vous d'autres suggestions de montages qui permettent de mesurer précisément la durée de la chute ? Envoyez vos suggestions à info@fizziqlab.org. Un pendule sur la lune Si on fait osciller un pendule sur la Lune, la période sera-t-elle plus longue ou plus courte que sur Terre ? Les astronautes de la NASA n'ont pas fait l'expérience du pendule sur la Lune, mais dans les archives des missions Apollo on a trouvé un extrait lors du débarquement d'un caisson durant lequel le container est entré en oscillation. Les scientifiques ont alors pu calculer la période de ce pendule et déduire que sa période était environ 2,5 fois plus importante que sur la terre : https://history.nasa.gov/alsj/a14/a14pendulum.html. Comment expliquer ce phénomène ? Galilée, le premier à avoir effectué des expériences approfondies sur le mouvement des pendules, il montre en 1632 que la période du pendule pour des faibles oscillations ne dépend ni de sa masse, ni de l'amplitude des oscillations mais uniquement de sa longueur. Cette remarque sera à la base des mouvements d'horlogerie qui utilise des balanciers. Huygens en 1659 détermine l'expression exacte de la période d'un pendule pour des faibles oscillations : T=2π*√(l/g), où g est la pesanteur. La période dépend de la longueur l du pendule mais aussi d'un paramètre terrestre fondamental : l'accélération de la pesanteur, g. Ce qui a permis aux scientifiques de déterminer pour la première fois avec précision la constante g, ou plutôt la longueur d'un pendule qui avait une période de une seconde. En 1690, dans son Discours de la cause de la pesanteur, Huygens indique que la longueur du pendule battant la seconde à Paris est de 3 pieds 8,66 lignes soit 0,9941 m, qui correspond à une pesanteur à Paris de 9,812 m/s² (avec nos unités). Le pendule devient à l'époque l'instrument de mesure de la pesanteur. Comme nous ne sommes pas sur la Lune, nous allons vérifier la formule de Huygens sur terre. Nous utiliserons le luxmètre fourni par l’application FizziQ pour les smartphones pour calculer avec précision la période d’un pendule. Nous suspendons un pendule fait avec une balle assez lourde au bout d’un fil de telle manière que la balle vienne occulter la cellule photoélectrique d’un smartphone quand elle est en position basse. La cellule photoélectrique des appareils Android est habituellement placée à droite de l’appareil photo. On peut la localiser en mesurant la luminosité avec l’instrument Eclairement de FizziQ et en plaçant le doigt là ou on pense qu’elle se situe. Grâce à la mesure de l’éclairement, on peut très précisément déterminer la période du pendule qui correspond à l’écart entre deux pics de luminosité. On vérifie alors la loi de Huygens sur les pendules. On peut également utiliser cette mesure pour faire un autre calcul plus précis de g. Trajectoire d’une chute En regardant un match de basket, on a l'habitude de voir de belles courbes décrites par les ballons lors d'un lancer à distance et la théorie nous dit que cette courbe est due à l'action de la gravité sur tout objet lancé en l'air. Mais peut-on en savoir plus sur cette courbe, et son équation nous permet-elle d'"en savoir plus sur la gravité ? Pour cela nous utilisons un des atouts les plus évidents des smartphones et tablettes : l'appareil photo qui permet au physicien de réaliser des vidéos précises des mouvements qu'il ou elle étudie. Grâce aux outils d'analyse de vidéo de l'application FizziQ, on peut de plus analyser en détail la cinématique de ces mouvements, tracer leurs trajectoires et exporter les caractéristiques des mouvements sur un tableur. L’utilisateur peut soit créer sa vidéo d'un objet en chute libre, soit utiliser une des vidéos disponibles dans l’application. La bibliothèque de vidéos de l'application FizziQ contient de nombreuses vidéos, notamment sur le sport, qui peuvent être utilisées pour étudier la cinématique de la chute libre : https://www.fizziq.org/cinematique. Par exemple, utilisons la vidéo de la chute d’une balle du module cinématique. On trouvera dans le tutoriel suivant sur Youtube comment conduire l'analyse de la vidéo en utilisant FizziQ : https://www.youtube.com/watch?v=sZdndmHefH8. Après avoir réalisé l'analyse de la chute, on place les données de la trajectoire dans le cahier d'expériences. En traçant le graphique pour la position verticale de la balle en fonction du temps, on constate que cette trajectoire est une parabole, confirmant ainsi le résultat de Galilée. Quelle est l'équation de cette parabole ? En appuyant en bas sur les fonctions d'interpolation, on choisit l'interpolation quadratique qui donne l'équation de la trajectoire. Dans le graphique 3, l’équation de la fonction interpolée est f(x) = 4,72x²-1,48x+2,05. Cette analyse permet également de retrouver l’accélération de l’apesanteur g = 2*4,72 = 9,44 m/s². L'intuition de Galilée sur la dépendance de la position d'une balle en chute libre par rapport au temps était donc la bonne ! Pèse-t-on moins lourd en avion ? Une question qui devrait intéresser chaque athlète est la suivante : est-il plus facile de faire des pompes à 10 000 m d'altitude qu'au niveau de la mer ? Voler en avion n'est pas très écologique, mais si vous prenez néanmoins un vol pour l'étranger, pourquoi ne pas essayer de faire cette petite expérience pour essayer de répondre à la question précédente ? Avant de décoller et quand l’avion est au repos, posez votre smartphone sur la tablette, puis dans l'application FizziQ, enregistrez l’accélération absolue pendant 10 secondes, puis ajoutez cette valeur au cahier d’expérience. Dans les statistiques en bas du graphique, on trouvera la valeur moyenne sur la période. Il faut faire attention de ne pas bouger le smartphone quand on appuie sur le bouton d’enregistrement. Quand l’avion atteint son altitude de croisière, et quand son vol est stable sans turbulences, refaites la mesure pendant une dizaine de secondes, puis notez la moyenne de l'accélération absolue. L'utilisation de la moyenne permet de gommer les petites variations dues aux micro-turbulences de la carlingue. Quelle valeur obtenez-vous ? Quelle a été la variation de l’accélération de la pesanteur ? En prenant une valeur pour votre poids, quel est votre nouveau poids en altitude ? Dans la capture d'écran ci-contre, nous obtenons la valeur pour g de 9,78 m/s2, soit une différence d'environ 3%. Le poids d'un athlète P = m*g, est donc 3% plus faible à 10 000 mètres d'altitude qu'au niveau de la mer. Si d'habitude vous faites 30 pompes, peut-être pourrez-vous en faire 31 ? 😁 Néanmoins pas de quoi battre un record ! 💪 Ce voyage est également l'occasion de confirmer la formule de Newton sur la gravitation universelle. La formule qui donne la valeur de g en fonction de l’altitude h peut être déduite directement : g(h)=g(0)R²/(R+h)² avec R = 6400 km et h en km. Nous avons testé ce protocole durant un voyage entre Paris et Copenhague. L'altitude à laquelle nous avons fait la mesure était à 10 300 mètres. Le calcul donne la valeur suivante : g(0) = 9,81 et h = 10,3 km, g(h) = 9,78 m/s², soit égal à la valeur que nous avons obtenue (copie d'écran ci-dessus). Le mystère de g à l'équateur Après les travaux de Huygens sur le pendule en 1659, les scientifiques sont confiants d'avoir enfin une mesure précise pour l'accélération de la pesanteur, g. Cependant, contre toute attente, l’astronome Richer fait une découverte cruciale en 1672. Alors qu'il est en mission à Cayenne pour mesurer la parallaxe de Mars, il remarque que le pendule qui bat les secondes est plus court à Cayenne qu'à Paris, ce qui suggère que la pesanteur varie en fonction de la latitude. Cette expérience relance une compétition entre Newton et Huygens pour déterminer la raison de cet écart et obtenir une équation qui permettra de déterminer g à tout endroit de la Terre. Si vous avez la chance de voyager entre un pays proche de l’équateur et une destination plus au nord, pourquoi ne pas recréer l'expérience de Richer et étudier la variation de l’accélération de la pesanteur selon la latitude ? Pour cela, dans FizziQ, enregistrer l’accélération normale du portable posé sur une table dans le cahier d’expérience avant votre vol. Puis à la nouvelle destination, enregistrer également l’accélération normale au repos. Quelle différence obtenez-vous ? L'accélération de la pesanteur est moins forte à l'équateur en raison de deux principaux facteurs : l'effet de la rotation terrestre et l'aplatissement de la Terre : La rotation de la Terre crée une force centrifuge dirigée vers l'extérieur, maximale à l'équateur en raison de la plus grande distance à l'axe de rotation. Cette force s'oppose à la gravité terrestre, réduisant légèrement l'accélération de la pesanteur à l'équateur par rapport aux pôles. Ainsi, la pesanteur est moindre à l'équateur en raison de l'effet de rotation. D’autre part, la Terre n'est pas une sphère parfaite, mais plutôt un ellipsoïde aplati aux pôles. En d'autres termes, le diamètre de la Terre mesuré de pôle à pôle est légèrement plus court que le diamètre mesuré à l’équateur. Les points à l'équateur étant plus éloignés du centre de la Terre que les points aux pôles, la force gravitationnelle exercée par la Terre sur un objet à l'équateur est légèrement plus faible qu'aux pôles. Ces deux facteurs combinés font que l'accélération de la pesanteur est légèrement plus faible d’environ à l'équateur par rapport aux autres régions de la Terre. La formule générale est : g(θ)=g(0)⋅(1+k⋅sin²(θ)) avec k ≈ 0,00527 avec g(0), la valeur de g à l’équateur : g(0) = 9,78 m/s². En utilisant cette formule approchée, obtenez-vous la même valeur pour l’accélération à l’endroit où vous vous situez ? Conclusion Nous avons présenté sept expériences pour travailler seul ou en groupe sur la notion de gravité. L'étude de concept en apparence simple ouvre de nombreuses voies pédagogiques au collège et au lycée et permet à tous de se poser des questions passionnantes sur notre univers et son fonctionnement. Références : https://history.nasa.gov/alsj/a14/a14pendulum.html https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/pendule-pesanteur-latitude.xml

L'accéléromètre est devenu un des capteurs le plus important de nos téléphones portables. Dans cet article nous découvrons en détail à quoi il sert et comment il fonctionne. Table des matières A quoi sert l'accéléromètre dans un smartphone ? - Les différentes manières de calculer l'accélération - Principe de fonctionnement de l'accéléromètre - Mesure du déplacement - La technologie MEMS - Accélération absolue et accélération linéaire - Précision et calibration d'un accéléromètre MEMS A quoi sert l'accéléromètre d'un smartphone ? Jusqu'à l'introduction des capteurs dans les téléphones portables, l'accéléromètre était un instrument scientifique peu connu, cantonné à des applications très spécialisées comme les stations inertielles des avions et des sous-marins, la détection de chocs pour les déclenchement d'airbags, ou l'étude des tremblements de terre. Avec les progrès de la miniaturisation qui a permis d'avoir des puces accéléromètres de taille inférieures au millimètre, ce capteur a pris une autre envergure et est maintenant présent dans tous les smartphones. Avec la sortie de l'iPhone en 2007 il a été utilisé pour gérer l'orientation automatique de l'écran, puis au fil des années il a pris dans nos appareils digitaux une place croissante. Aujourd'hui, les accéléromètres sont utilisés dans le domaine de la prévention, pour alerter les services médicaux d'urgence lors de chutes. Il est également utilisé pour analyser notre activité physique, par exemple, de reconnaître si nous marchons et combien de pas nous avons fait, ou si nous montons des escaliers. Couplé à d'autres capteurs comme le gyroscope ou le magnétomètre, ils est utilisé pour connaître la position a tout moment d'un mobile et est utilisé dans les jeux par exemple. Les différentes manières de calculer l'accélération L'accélération est une grandeur physique qui décrit la variation de la vitesse d'un objet au cours du temps. Elle correspond à la mesure de l'augmentation ou de la diminution de la vitesse d'un objet par unité de temps. L'accélération peut être positive ou négative, en fonction du sens de la variation de la vitesse, et elle s'exprime en mètres par seconde carré (m/s²) dans le système international d'unités (SI). Mathématiquement, l'accélération est donnée par la formule : a = δv/δt où a est l'accélération, v la vitesse et t le temps. Il existe pratiquement deux moyens de calculer l'accélération : A partir de la vitesse de l'objet en dérivant sa valeur A partir de la deuxième loi de Newton, aussi appelé Principe Fondamental de la Dynamique Pour utiliser la première méthode, il faut donc disposer d'un moyen de calculer avec précision la vitesse. Malheureusement dans la plupart des cas il est difficile voire impossible de calculer la vitesse d'un objet avec suffisamment de précision. un outil souvent utilisé est le GPS mais sa précision et la fréquence d'actualisation des données ne sont pas suffisamment précises pour calculer l'accélération avec précision. On pourrait imaginer d'autres moyens mais aucun n'est suffisamment facile à mettre en place ou précis pour produire une donnée acceptable pour l'accélération. La deuxième manière de calculer l'accélération utilise la deuxième loi de Newton ou principe fondamental de la dynamique qui affirme qu'une force résultante exercée sur un objet est toujours égale au produit de la masse de cet objet par son accélération. Si on est capable de mesurer la force qui s'exerce sur un mobile, alors on peut déduire l'accélération à laquelle il est soumis. Nous allons voir qu'en utilisant quelques composants mis ensemble de manière astucieuse, on peut déterminer la force qui s'exerce sur un corps donc déterminer son accélération. Principe de fonctionnement de l'accéléromètre Imaginons que nous connections une petite masse d'un poids suffisamment faible et à un ressort lui-même connecté au cadre de l'appareil dont on veut connaître l'accélération, comme représenté sur le graphique ci-dessous. Considérons les composants du schéma ci-dessus. Si l'on déplace le smartphone, la petite masse va initialement rester à sa position par inertie, et la longueur du ressort va se modifier d'une valeur que l'on note x. Cette déformation du ressort crée une force de rappel qui est proportionnelle à son allongement : F = kx avec k la raideur du ressort, et x le déplacement. D'après la deuxième loi de Newton cette force crée une accélération de la masse telle que F = ma où a est l'accélération de la masse et m son poids. On en déduit que kx = ma d'où a, l'accélération de la masse : a = kx/m. La résolution de l'équation différentielle montre que l'accélération du portable est égale à la somme de deux termes : un terme dépendant du déplacement x et une oscillation dont la dépend (k/m)^0,5. Si la raideur du ressort k est importante par rapport à m, le terme d'oscillation est négligeable et l'accélération du smartphone est directement proportionnelles au déplacement x. Mesure du déplacement Comment mesurer le déplacement x ? La lecture directe ne peut être utilisée que dans les cas où l'accélération est continue. Par exemple pour calculer l'accélération auquel est soumis un astronaute dans une centrifugeuse ou un pilote dans un avion. Mais si cette valeur value rapidement cette méthode ne convient pas. Une des méthodes que l'on utilise dans les capteurs modernes fait appel aux caractéristiques des condensateurs. Un condensateur est composé de deux armatures conductrices séparées par un isolant. Sa principale propriété est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses renforts. Il s'avère que la capacité de stockage d'un condensateur est inversement proportionnelle à la distance entre les plaques conductrices. Il existe de nombreuses manières de calculer électroniquement la capacité d'un condensateur, si l'on connecte une plaque sur le mobile et une autre sur la masse connectée au ressort, on peut alors estimer l'espacement des plaques en calculant la capacité du condensateur. La combinaison d'un ressort et d'un condensateur est la méthode la plus utilisée pour calculer l'accélération. La technologie MEMS Une des difficultés qu'on rencontré les ingénieurs est de réduire la taille du capteur pour que cet instrument de mesure tienne dans un portable. C'est là qu'intervient la technologie des MEMS, qui signifie Micro Electro Mechanical System. Un MEMS est un petit circuit intégré dans lequel nous avons des pièces mécaniques et des pièces électroniques complètement intégrées. Les premiers MEMS ont été développés dans les années 1970. À quoi ressemble un accéléromètre MEMS? Il s'agit de la photo MEMS d'un iPhone 4 (https://www.memsjournal.com/2010/12/motion-sensing-in-the-iphone-4-mems-accelerometer.html). On voit sur cette photo les ressorts, la masse qui entoure l'objet, et les condensateurs qui sont orientés dans deux directions, X et Y. Ces deux séries de condensateurs sont orientées à angle droit pour mesurer l'accélération dans deux directions. Si on veut connaître l'accélération dans les trois directions, il faut ajouter un troisième accéléromètre dans la direction de la face du smartphone. Comme ceux-ci sont en général peu épais, les ingénieurs ont modifié le design et sur la photo on voit ce capteur au-dessus des deux autres. Accélération absolue et accélération linéaire Maintenant que nous savons comment fonctionne l'accéléromètre de nos smartphones, essayons de comprendre ce qu'ils mesurent exactement. Lorsque nous plaçons notre capteur vertical, la masse des accéléromètres est attirée par la gravité, et ainsi le capteur indiquera une force et donc une accélération, celle de la pesanteur, g. C'est la raison pour laquelle le capteur affiche la gravité quand il est au repos. Si je laisse tomber mon portable, le portable est alors en apesanteur pendant un court instant, et l'accélération absolue est nulle. Vous pouvez le vérifier avec FizziQ en laissant tomber votre portable sur un lit (bien moelleux) et en enregistrant l'accélération absolue. Cette expérience vous permettra d'ailleurs de calculer la gravité g en mesurant la durée de la chute. L'accélération qui est calculée par l'accéléromètre est appelée accélération absolue, on l'appelle également accélération avec g car elle inclue le pesanteur. On la distingue de l'accélération linéaire ou accélération sans g, qui est l'accélération d'un mobile quand on enlève le vecteur de la pesanteur. Nous verrons dans un autre article comment calculer cette valeur qui est indispensable pour certaine applications. Précision et calibration de l'accéléromètre L'accélération mesurée par les MEMS de nos portables est par construction affectée par la pesanteur, et donc au repos l'accéléromètre affichera la valeur égale à l'accélération de la pesanteur, soit 9,81 m/s². En utilisant les différentes composantes de l'accélération absolue, on peut déterminer l'orientation du portable. Si je sélectionne l'accélération verticale absolue, je trouverai la projection de l'accélération due à la pesanteur sur l'axe vertical de mon portable. Mon portable à plat affiche zéro, mais verticalement, la mesure est de 9,81 m/s² ... La calibration de l'accéléromètre est un processus qui permet de corriger les éventuelles erreurs de mesure de l'accéléromètre en le recalibrant. Cela peut être nécessaire si l'appareil ne détecte pas correctement les mouvements ou s'il enregistre des mesures incorrectes. Si on mesure l'accélération absolue d'un portable au repos, on trouve que le nombre affiché n'est pas exactement égal à 9,81 m/s² mais à une valeur approchée de cette valeur. En fait, tous les portables afficheront des valeurs différentes car les capteurs ne sont pas calibrés avec précision pour donner ces informations. Est-ce un un problème ? Pas vraiment car une précision meilleure que 1% n'est pas forcément nécessaire pour les applications habituelles de reconnaissance de mouvement. Ce serait une autre histoire si nous utilisions ces capteurs pour calculer notre position comme le font les sous-marins nucléaires ... Note : Merci à Daniel Rouan pour sa contribution sur les calculs théoriques.

La mesure de la vitesse du son dans l'air est une des expériences les plus facilement réalisables avec un smartphone. Pour les élèves, ce calcul est très satisfaisant, car si les ondes sonores sont un concept souvent abstrait, les nombreuses propriétés physiques de ce phénomène peuvent être facilement être étudiées avec l'appareil qu'ils ont dans leur poche. Table des matières Les ondes sonores et leur propagation - Les méthodes pour mesurer la vitesse du son - Mesure par la durée de propagation - Mesure par la fréquence de résonance  - Mesure par la longueur d'onde - Conclusion Les ondes sonores et leur propagation Une onde sonore est une vibration mécanique qui se propage dans un milieu matériel, comme l’air ou un liquide. La vitesse du son est la vitesse à laquelle cette onde se propage dans un milieu donné, elle dépend de la température, de la pression et de la densité du milieu à travers lequel elle se propage. Dans l'air, si on l'assimile à un gaz parfait diatomique, on peut calculer la vitesse du son par l'équation : c = sqrt(γ * RT/Ma) c est la célérité du son, γ est le rapport des capacités calorifiques à pression et volume constants. γ= 7/5 pour l’air, R est la constante des gaz parfaits, T est la température absolue du milieu, Ma est la masse molaire de l'air : Ma = 29g/mol. La formule précédente nous permet de calculer la vitesse théorique du son aux conditions habituelles de température et de pression : c = 343 m/s pour une température de 20 degrés, soit environ 1 235 km/h. Dans l’eau, le son se propage plus de 4 fois plus vite que dans l’air, c’est-à-dire à environ 1482 mètres par seconde, et dans certains métaux come le fer doux, elle se propage 15 fois plus vite à environ 5 960m/s (21 456km/h). Les différentes méthodes pour calculer la vitesse du son dans l'air Il existe de nombreuses méthodes pour calculer la vitesse du son avec un smartphone. Nous les avons classé en trois catégories distinctes : Mesure de la durée de propagation Mesure de la fréquence de résonance Mesure de longueur d’onde Ce sont ces méthodes qui ont été utilisées par des génération de scientifiques pour déterminer la célérité du son, dont on savait depuis longtemps qu'elle était élevée mais pas instantanée à cause du phénomène d'écho : ➡️ Mersenne, le premier, évalue en 1635 la vitesse du son dans l'air à 448 m/s par la méthode de la durée de propagation. Valeur affinée ultérieurement par les savants Viviani et Borelli en 1656 avec une valeur de 344 m/s. ➡️ Newton prend une approche différente par une méthode analytique en la déterminant à partir des fréquences de résonance des ondes sonores dans un tube en U et détaille sa méthode dans la première édition des Principia (1687). ➡️ Au cours des siècles les calculs se sont affinés mais une incertitude persistait : l'humain pouvait-il aller plus vite que la vitesse du son ? Cette question sera résolue en 1947 quand l'aviateur américain Chuck Yeager atteint Mach 1 à bord de l'avion X-1. Encore une fois, l'humain avait franchit une barrière infranchissable. Aujourd'hui chacun peut réaliser la mesure emblématique, avec un ou plusieurs smartphone, sans équipement spécial, et toucher du doigt un peu d'histoire de l'aviation et des sciences ! Alors, à vos portables ... Mesure par la durée de propagation Comme tout calcul de vitesse, l’objectif de cette méthode est de déterminer le temps que met l’onde sonore pour parcourir une certaine distance. La vitesse du son étant élevée, la mesure du temps nécessite un appareillage spécifique : le chronomètre sonore, ou chronomètre acoustique. Un chronomètre sonore ou acoustique permet de mesurer l’écart de temps séparant deux sons dont le niveau sonore dépasse un certain seuil. Cet appareil ne se trouve pas sur une paillasse de labo mais de nombreuses applications pour smartphones existent qui proposent cette fonctionnalité. Dans FizziQ, l'élève peut soit accéder directement à un chronomètre sonore dans le menu Outils, soit construire son propre chronomètre à partir des Déclencheurs. Le protocole traditionnel pour mesurer la vitesse du son avec un chronomètre sonore est le suivant : on écarte deux portables d’une certaine distance (au moins 5 mètres), et on place près de chaque téléphone un opérateur. A tour de rôle, les opérateurs tapent dans leurs mains, déclenchant et arrêtant les deux chronomètres sonores. On vérifie que le décalage de temps dt entre les deux chronomètres est dt = 2*d/c, où d est la distance entre les smartphones, c la vitesse du son. Cette expérience permet une précision comprise entre 5 et 10%, et peut-être améliorée en réalisant plusieurs mesures. Ce protocole fonctionne bien, mais il est souvent difficile à comprendre pour les élèves car le calcul du décalage n’est pas intuitif. Nous préférons une variation de ce protocole développé par Aline Chaillou de la Fondation La main à la pâte. Dans ce second protocole, on commence par synchroniser les chronomètres en les mettant côte à côte et on déclenche les chronomètres sonores en frappant dans les mains. Puis on déplace un des deux portables, d’une distance d. L’opérateur situé près de ce second portable arrête alors les deux chronomètres en frappant dans ses mains. Le calcul du décalage est alors très intuitif pour les élèves car ils ont mettent tout de suite en relation l'écart de distance qui créée le déphasage avec le déplacement d'un des deux portables. L’écart de temps dt est égal à : dt = d/c. Ce second protocole permet également d’introduire la notion de synchronisation des horloges. C'est le même concept de synchronisation qui a été utilisée dans la fameuse expérience de Hafele-Keating en 1971 pour prouver la relativité restreinte. Attention à bien calibrer le niveau de déclenchement du chronomètre sonore pour ne pas qu’il se déclenche quand on déplace un des deux smartphones. Mesure par la fréquence de résonance La deuxième méthode de calcul de la vitesse du son que nous étudions s’appuie sur le principe de la résonance acoustique, qui est un phénomène dans lequel un système acoustique amplifie les ondes sonores dont la fréquence correspond à l'une de ses propres fréquences de vibration. Les fréquences de résonance de certaines cavités comme un cylindre ou une bouteille sont faciles à déterminer et dépendent de la vitesse du son et de la forme de l’objet. En mesurant la fréquence de résonance, pour certains types de cavité, on peut ainsi déduire la vitesse du son. Un premier protocole tout simple consiste à souffler sur le bord d’une éprouvette graduée pour émettre un son dont on mesure la fréquence fondamentale. Pour un tube fermé, la fréquence fondamentale de résonance est : f₀ = c/(4.L+1,6.D) où L est la longueur du tube, D le diamètre du tube. En mesurant avec le fréquencemètre de l’application la fréquence fondamentale émise par le tube, on peut déduire la vitesse du son. Pour faire des mesures plus précises, on pourra mesurer la fréquence pour différentes hauteurs d’eau dans l’éprouvette, et en faisant une régression linéaire des résultats, on déterminera de façon précise la vitesse du son à moins d’un pour cent près. Si l'on est amateur de Bordeaux et que l'on dispose d'une bouteille vide, on peut utiliser une bouteille venant de cette région et dont les caractéristiques volumétriques sont immuables. Ulysse Delabre dans cette vidéo détaille les calculs pour la mesure de la fréquence de résonance quand on souffle dans la bouteille. Pour simplifier les calculs on peut remplir la bouteille jusqu'au bas du goulot, et on peut appliquer la formule du tube fermé. Que faire si la bouteille n'est pas ouverte ? Il est quand même possible de réaliser l'expérience et, paradoxalement, de manière encore plus simple : en la débouchonnant ! Quand on enlève le bouchon, un "pop" retentit qui est du à la résonance de l'air dans la partie comprise entre le liquide et le haut de la bouteille. Si on mesure la fréquence du pop avec le fréquencemètre, on peut utiliser la formule précédente de la fréquence de résonance d'un tube pour en déduire la vitesse du son. Un dernier protocole toujours surprenant pour les étudiants utilise le fait que si plusieurs fréquences sont émises simultanément dans une cavité, les harmoniques de la fréquence de résonance de la cavité seront amplifiées par rapport aux autres fréquences émises. Si l’on mesure le spectre d’un bruit blanc émis dans cette cavité, les fréquences harmoniques de la fréquence de résonance sont mises en évidence par rapport aux autres. On rappelle qu’un bruit blanc est une succession aléatoire de son émis dans toutes les fréquences. Prenons donc un tube ouvert aux deux bouts, tel qu’un rouleau de Sopalin ou un tuyau d’aspirateur. A un bout du tube, nous allons émettre un bruit blanc que l’on peut générer avec la bibliothèque de sons de FizziQ ou en utilisant le son d'une vidéo émettant un bruit blanc ou rose. A l’autre bout du tube, nous mesurons le spectre de fréquences. La mesure du spectre du bruit blanc au travers d’un tube fera apparaître des pics pour la fréquence fondamentale et ses harmoniques. On déduit la fréquence de résonance puis la vitesse du son par la formule de la fréquence de résonance d’un tube ouvert : f₀ = c/(2.L+1,6.D) On obtient souvent de meilleurs résultats avec un bruit rose qui est semblable au bruit blanc, mais avec une intensité sonore réduite pour les sons aigus. L'utilisation du bruit rose permet de renforcer l'intensité de la fréquence fondamentale de résonance par rapport à ses harmoniques plus aigus. Finalement, on peut faire différentes mesures avec des tailles différentes du tube, et déduire c par mesure de la pente sur le graphique. Mesure par la longueur d’onde Ce troisième type de protocole s’appuie sur la mesure de la longueur d’onde d’un son pur de fréquence connue, en général par des expérience impliquant des interférences. On déduit la vitesse par la relation : c = l.f, avec l la longueur d’onde et f la fréquence. La méthode souvent utilisée en laboratoire de physique utilise une source sonore et deux micros placés à une certaine distance de cette source et connectés à un oscilloscope à double entrée. En déplaçant les deux micros l’un par rapport à l’autre on trouve la distance pour laquelle les deux ondes sont en phase, qui est la longueur d’onde. Avec un smartphone, cette manip n’est pas possible car il ne dispose pas d’une double entrée … mais avec un peu d’imagination on peut trouver d’autres moyens ! Le premier protocole que nous proposons consiste à utiliser deux smartphones qui émettent le même son pur, par exemple de fréquence 680 hertz. En plaçant les smartphones à une certaine distance, on va calculer les endroits d'addition et d'annulation des deux ondes sonores. Avec FizziQ on pourra utiliser le son à 680 hertz de la bibliothèque de son. On place ces deux smartphones à environ 3 mètres l’un de l’autre. Avec un troisième smartphone, on mesure l’intensité sonore (instrument oscillogramme sur FizziQ) le long de l’axe des deux smartphones. Les interférences des deux ondes créent des zones d’intensités très élevées, les ventres, et d’autres très faibles, les noeuds. La distance entre les noeuds (environ 50 cm) est égale à la longueur d’onde de l’onde sonore pour la fréquence 680 hertz. En mesurant l’écart entre les noeuds (ou les ventres), on calcule la vitesse du son. Cette expérience permet également d'ouvrir la discussion sur la manière dont les casques à réduction de bruit active fonctionnent en réalisant une petite activité : https://www.fizziq.org/team/une-bulle-sans-bruit On peut également réaliser l'expérience avec seulement deux téléphones portables. Un des deux smartphones sert alors d’émetteur, et également d’outil de mesure du volume sonore. Un deuxième portable qui émet un son pur de même fréquence est approché du premier, et on note la distance entre le noeud et le ventre constaté en mesurant le volume sonore sur le premier smartphone, identifié par les variations d’intensité. Pour réaliser cette expérience avec FizziQ, on préfère utiliser l’intensité sonore mesurée avec l’instrument Oscilloscope et qui est plus précise que le volume sonore en décibels. Finalement, si l'on ne dispose que d'un smartphone, il est également possible de réaliser cette expérience en plaçant une surface réfléchissante à la place du deuxième smartphone de l’expérience précédente. La précision en est encore amoindrie mais le calcul est néanmoins possible ! Ces différentes expériences permettent de calculer la vitesse du son avec une précision d’environ 10%. En conclusion Nous avons proposé différentes expériences différentes pour calculer la vitesse du son. Ces expériences peuvent être classées en trois catégories qui font appel à différentes propriétés des ondes sonores. Toutes ces expériences peuvent être réalisées avec FizziQ, ou avec d’autres applications sur téléphone portable ou tablette, selon votre préférence. Le smartphone est un des meilleurs outils disponibles pour mesurer la vitesse du son, offrant de multiples manières d’aborder le même problème, et facilement accessible aux élèves. Bonne expérimentation ! Pour en savoir plus sur l'histoire de la mesure de la vitesse du son : https://www.academia.edu/6511050/Calculer_la_vitesse_du_son_après_Newton_le_défi_du_jeune_Euler_1727_

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.