FOUCAULT, CE N'EST PAS QU'UN PENDULE
Michel et Monique PAUTY
Dépanement de Physique, Université de Bourgogne
MOTSCLÉS: PENDULE INDUCIlON GYROSCOPE VITESSE DE LA LUMIÈRE -FOUCAULTAGE
RÉSUMÉ : Foucault (1818-1869) a développé une méthode pour mesurer la vitesse de la lumière, un régulateur pour les lampes à arc, il a réalisé un photomètre, un prisme biréfringent, un sidérostatet une série de régulateurs mécaniques. Le pendule et le gyroscope de Foucault ont une grande signification populaire. Il a démontrélatransfonnation du travail mécanique en chaleur lorsqu'un disque de cuivre placé entre les pièces polaires d'un électroaimant tourneetil a mesurélachaleur dégagée dansledisque. Il a aussi développé des méthodes pour testeretcorriger miroirsetlentilles (Foucaultage) etc...
SUMMARY : Foucault 0818-1869) developped a method for the velocity of Iight, a regulator for the arc lamp, designed a photometer, a birefringent prism, a siderostat and a series of mechanical regulators. Foucault's pendulum and gyroscope had more than a popular significance. He demonstrated the conversion of mechanical work into heat by tuming with acrank a copper disk placed between the poles of an electromagnet and measuring the heat produced in the disk. He developped methods for testing and correcting the figure of mirrors and lenses (Foucaultage)
1. INTRODUCTION
Dans le grand public. l'expérience du Pendule de Foucault a toujours eu un immense succès - le titre du livre d'Umberto Eco en estlapreuve et Frédéric Marthaler a présenté aux Journées de Chamonix de 1993, le Pendule de Foucault En reprenant cette expérience revue par Tom Till, nous vous avons invités à la refaire dans votre cuisine en prenant trois fourchettes, une assiette, un brin de filetune noix qui symbolisera le pendule et ainsi vous montrerez après Foucault expérimentalement que la terre tourne autour de son axe et que le pendule lorsque la terre tourne oscille toujours dans un même plan. Panons donc rapidement à la découverte des travaux de Foucault en insistant sur quelques points de l'œuvre scientifique de celui qui selon Fabry:Ne savait rien mais comprenait tout".
2. UNE DESCRIPTION RAPIDE DES TRAVAUX
Jules Lissajous a écrit:Sa taille était peu élevée, sa tête petite, le front peu développé, les yeux inégaux, l'un franchement myope, l'autre presbyte, aussi ne regardait-il que de l'œil droit, tandis que l'œil gauche semblait abandonné. dans le vague. Àcette disposition s'ajoutait une légère nuance de strabisme divergent qui donnait à son regard quelque chose d'étrange et de très caractérisé.
Jean-Bernard-Léon FOUCAULT était néà Paris le 19 septembre 1819etsa biographie a fait l'objet de divers ouvrages. Dès l'âge de 13 ans il commençait à construire des jouets scientifiques, d'abord un bateau puis un télégraphe imité de celui de Saint-Sulpice, dont il apercevait de sa fenêtre les gestes répétés, puis une machine à vapeur. Il passa ensuite son baccalauréat grâce à l'aide d'un répétiteur particulier. TI commença des études de médecine, son intention était de devenir chirurgien. Pendant quelques temps il fut externe dans les hôpitaux. Pendant ses études médicales, il fait la connaissance du docteur Donné dont il suivait le cours de microscopie àla clinique de l'École de Médecine. Il devient alors son préparateur puis son collaborateur. Il rencontre aussi le jeune Annand AZEAU qui lui communique sa passion contagieuse pour la physique et Foucault abandonne la médecine. Vers 1840, Foucault aide donc Fizeau dans ses expériences qui avaient pour but de mesurer la vitesse de la lumière. Deux ans aprèsladécouverte du Daguerréotype, Foucault s'intéresse à ce procédé et, en collaboration avec Fizeau, il donne en 1845 le premier daguerréotype du soleil. Mais déjà Foucault est un grand vulgarisateur et il est chroniqueur auJournal des Débats; apportant deux fois par mois son article, il va tracer une vaste fresque de la vie scientifique de toute l'Europe dans la seconde moitié du XIXe siècle, traitant de l'acoustique, de la télégraphie électrique, des techniques ferroviaires, de la thermodynamique, du perfectionnement des machines à vapeur, des explorations etexpéditions à l'étranger, il s'intéresse à tout, aux planètes, aux animaux, aux plantes, il montre aussi comment, lorsque le mercure n'était pas banni, on pouvait souffler des bulles de mercure comme on souffle des buIles de savon. Arrive ensuite en 1844 la réalisation d'un microscope photoélectrique, puis des
expériences avec Fizeau sur les interférences entre deux rayons de lumière et sur la polarisation chromatique produite par des lames épaisses cristallisées aboutissant aux spectres cannelés, en 1849 une note sur l'arc électrique et l'éclairage delaplace de la Concorde par une lampeàarc grâce au régulateur de Foucault. Un an plustardil mesure la vitesse de la lumière avec une méthode originale, la même année, il conçoit son célèbre pendule qui quitte la cave de sa maison, rue d'Assas pour aller sous la coupole du Panthéon en 1851. 1852,ilinvente le gyroscope qui sera le premier volet retenu et le 25 avril 1853,ilsoutient sa Thèse de Doctorat ès Sciences Physiques présentée à la Faculté des Sciences de Paris sur le sujet : Vitesses relatives de la lumière dans l'air et dans l'eau. Les membres du Jury sont Dumas, président, assisté de Despretz et Balard ; n'étant pas du sérail scientifique proprement dit, la soutenance ne se passa pas dans les meilleures conditions... pourtant ce travail montrait pour la première fois que la lumière se propageait plus lentement dans les liquides que dans l'air. 1854, il est physicien à l'Observatoire de Paris, pendant toute cene période de sa vie,il fait faire un pas considérable à la fabrication des grands instruments. Un an plus tard,ildécouvre les Courants de Foucault qui feront l'objet de notre second volet. Foucault reçoit la médaille de Cop1ey que la Société Royale de Londres décerne chaque année, sans distinction de nationalité, aux travaux les plus éminents et aux découvenes les plus originales pour ses travaux sur les "courants de Foucault". Il conçoit ensuite un photomètre à compartiments, puis le polariseur dit de Foucault. 1858, il construit un télescope en verre argenté et met au point un examen optique des surfaces concaves et retouches locales avec le Foucaultage qui sera notre troisième volet. 1862, ilentre au bureau des Longitudes et imagine un héliostat nouveau, c'est alors qu'il se lance dans l'étude d'une multitudede régulateurs qui font l'objet de descriptions, mémoires, brevets en France et à l'étranger régulateurs qui feront notamment le succès de l'exposition universelle de 1867 permettant de faire fonctionner ensemble diverses machines comme métier à tisser et machinesàtravailler le bois, dans le pavillon des machines. Foucault est élu à l'Académie des Sciences de Paris après quatre tours et succède ainsi àClapeyron le 23 janvier 1865. 10 juillet 1867, les premiers symptômes delaparalysie s'annoncent par un engourdissement de la main puis sa vue s'éteint, il ne peut plus causer; il meurt le Il février 1868. L'essentiel de l'œuvre de Léon FOUCAULT sera réunie dans le Recueil des travaux scientifiques publié en 1879 en 2 volumes aux Éditions Gauthier-Villars.
Nous avons choisi de privilégier trois points dans l'œuvre de Foucault pour montrer leur appon dans la technologie de pointe d'aujourd'hui.
3. LE GYROSCOPE
Le27 septembre 1852, Foucault publie un article surLes phénomènes d'orientation des corps tournantsaux Comptes Rendus de l'Académie des Sciences T XXXV p. 424. :"Veuillez monter sur un axe une couronne de bronze, faîtes qu'il puisse tourner vivement à l'intérieur d'un cercle reposant par des couteaux sur un second cercle extérieur qui sera suspendu à un fil sans torsion .. armez tout le système de contrepoids à vis pour obtenir un équilibre parfait, et si
véritablement la terre tourne, on le verra bien au microscope". La vitesse de rotation est de quelques cent cinquante tours par seconde et le gyroscope une fois lancé tourne pendant quelques minutes.Lesolide poursuit sa rotation indépendamment de l'environnement extérieur et ce, même s'il est déplacé. Les applications vont être nombreuses: Lancement de corps avec rotation, Contrôle par Gyroscope.
L'invariabilité de la direction d'un axe de gyroscope est utilisée dans les stabilisateurs de l'axede torpille, par rapport à celui d'un gyroscope qu'elle contient et qui déclenche un relais qui actionnele gouvernail. Àbord des avions, des navires et de tout autre véhicule se déplaçant dans un espace tridimensionnel, le gyroscope permet de connaître l'orientation exacte du véhicule, si on se base surla direction constante de son axe de rotation, qui n'est pas affectée par les mouvements de l'appareil dans lequelilest placé. Petit, donc facilement introduit dans le tableau de bord, le boîtier de l'appareil abrite une toupie en rotation rapide. Entre le boîtier et la toupie, un mécanisme de support affichela direction de sa rotation sur un écran. Ils seront remplacés par les gyromètres électromagnétiques sans parties tournantes.
4. COURANTS DE FOUCAULT
Le second volet dans ses développements les plus récents est directement relié aux travaux de Foucault de 1855 sur les courants de Foucault : Si l'on place comme le faisait Foucault un disque métallique entre les pièces polaires d'un électro-aimant et que l'on fasse tourner le disque celui-ci va être freiné et même s'arrêter et le disque va s'échauffer.
ce
freinage et la dissipation d'énergie en chaleur qui en résulte peuvent aussi présenter des avantages ou des inconvénients suivant les effets que l'on désire. On pourra réaliser ainsi un chauffage par induction : le dégagement de chaleur dû aux courants de Foucault induits dans la masse d'un conducteur entraîne, dans beaucoup de machines des pertes d'énergie et des échauffements que l'on chercheàréduire. Il est d'autres cas où ces courants sont utilisés pour élever la température. En effet si l'on fait varier le flux d'induction dans un conducteur immobile en plaçant par exemple celui-ci dans un champ magnétique alternatif, le solide sera parcouru par des courants induits qui vont provoquer un échauffement.Lechauffage à induction après des essais timides en cuisine familiale il y a une quinzaine d'années, a été développé en cuisine de collectivité et revient depuis cinq ans sur le marché. Dans ce système de cuisson, c'est la casserole qui est le siège de courants induits et le produit est chauffé dans la casserole par l'intermédiaire dela casserole comme dans une cuisine traditionnelle. L'avantage est de pouvoir garder les enroulements éventuellement sous tension puisque la casserole ne chauffera que lorsqu'elle sera placée au dessusde la bobine inductrice, donc la plaque restera froide hors service. Mais les courants de Foucault ont aussi de multiples applications : on peut citer les compteurs électriques, les ralentisseurs électriques qui constituent pour l'essentielles freins de camion.Ledéveloppement peutêtrele plus récent est obtenu avec les Capteursàcourants de Foucault. On peut mettre en évidence les variations de l'inductance apparente d'une bobine en l'approchant d'une plaque métallique et en l'alimentant par une tension alternative constante. Dans ces conditions,ilse
développe dans laplaque métallique, qui se compone comme un secondaire de transfonnateur en coun-circuit des courants de Foucault. Lorsque la distance d entre la plaque métallique et la bobine diminue, les penes par courant de Foucault augmententetentraînent un accroissement du courant d'alimentation et inversement si d diminue.
S. FOUCAULTAGE
Le dernier volet que nous illustrerons sera celui des études optiques avec l'examen des surfaces concaves et retouches locales etlaméthode du Foucaultage.Lafonne sphérique est relativement facile à obtenir. C'est celle prise naturellement par deux corps que l'on use l'un contre l'autre en les frottant dans tous les sens avec interposition d'une poudre très dure et très ténue : la sphère est en effetla seule surface qui s'applique exactement sur elle même dans toutes les situations. Le miroir de bronze ou de verre que l'on veut construire est ainsi dégrossi sur une matrice de bronze, à l'aide de tripoli imprégné d'huile que l'on choisit de plus en plus fin. On a recours pour terminer le polissage à une méthode optique consistant à vérifier que tous les rayons incidents issus du centre du miroir sont réfléchis exactement vers le même point. On établit donc une source lumineuse légèrement excentrique. L'œil placé au-delà d'un très petit écran qui lui cache la source, et sur le trajet du faisceau réfléchi, doit voir la surface du miroir uniformément obscure. Les points en relief, s'il y en a, se détachent en brillant, les points creux en noir foncé. À l'aide d'une peau de chamois enduite de colcothar, on continue le travail du miroir en pressant légèrement sur les zones en relief jusqu'à ce que toute irrégularité ait disparu.Laméthode préconisée par Foucault a pris le nom deJoucau/rage.
n
s'agit d'une variante de la strioscopie.On reçoit le faisceau issu du point objet A (très petit trou éclairé) dans l'œil OE placé un peu en arrière du point image A' qui doit être réel.Ondéplace dans un plan passant par A' et sensiblement nonnal au rayon moyen, un écran mince opaque Oame de couteau) E. L'œil regardant le système optique, le voit, s'il y astigmatisme, à peu près unifonnément éclairé tant que E n'atteint pas A', et cesse de le voir brusquement lorsque E dépasse A'. Mais s'il n'y pas stigmatisme, certains rayons sont arrêtés avant les autres et les zones correspondantes du système optique sont masquées avant les autres. Laméthode très sensible est très utilisée aussi bien pour contrôler les lentilles que les miroirs. Cette méthode a donné le jour à lastrioscopie pour voir les défauts et au microscope à contraste de phase dont le principe est voisin mais qui utilise une lame de phase introduisant un retard de phase de 90° au lieu de l'obscurité.6. CONCLUSIONS
Trop rapide tour d'horizon du génie de Léon Foucault que nous terminerons par une dernière expérience bien oubliée et qui laisse perplexe au niveau delavision des couleurs... Le 16 décembre 1848, devllllt IIISociéfé fhilomafique,
Foucault et Regnaud présentent un problème se rattachant à
la
vision au moyen des deux yeux, lorsque les champs visuels sont éclairés par des rayons colorésdifférents. Si l'on éclaire un des yeux avec des rayons rouges et l'autre par des rayons bleus, dans les premiers moments d'observation, une seule des impressions est perçue et un des yeux reste complètement inactif, tandis que l'autre voit nettement. Après un temps variable, les TÔles sont intervertis, l'œil actif ne voit rien et les interversions se renouvellent, on éprouve donc successivement la sensation du rouge, puis du bleu. Cependant, si l'on donne àl'observation une durée suffisante, il arrive que les alternatives cessent et que l'on perçoit une sensation mixte, icile mélange du rouge et du bleu va donner un pourpre.
À partir de ces remarques de Foucault, nous avons présenté une version modifiée. Un stéréoscopede type Wheatstone pour l'observation des couples stéréoscopiques est utilisé. Les deux images sont remplacées par deux disques lumineux éclairés par deux faisceaux qui présentent des teintes complémentaires grâce aux phénomènes de polarisation chromatique (lame cristalline entre polariseurs croisés pour l'un et lame cristalline identique entre polariseurs parallèles pour l'autre. Lorsque les rétines sont impressionnées en même temps par les images des deux disques de teintes complémentaires, on perçoit tantôt l'une des teintes, tantôt sa complémentaire, mais après quelques instants, on ne voit plus qu'un cercle blanc.
Ainsi va s'achever cette présentation un peu partiale et partielle d'une partie de l'œuvre de Léon Foucault avec un dernier hommage à celui qui s'occupa d'astronomie et qui réussit dans ses entreprises malgré l'opposition du Directeur de l'Observatoire Le Verrier: Sur une cane de Lune, au Nord-Ouest de Mare Imbriom,la Mer des.Pluies, par 40° ouest et 50° nord, on trouve un cratère de 22 km de diamètre, cerné de remparts de 2000 mètres : ce cratère est le cratère Léon Foucault etily est pour bien longtemps encore... même si un jour le gyroscope de Foucault initial ne sera plus utilisé, même si la cuisine ne se fera plus avec les plaques à induction etmêmesi le contrôle des surfaces ne se fera plus par le foucaultage....
BIBLIOGRAPHIE
LISSAJOUS J. A., Notice historique surlavieetles travaux de Léon Foucault, Œuvres complètes
de Foucault, tome II, 1-18.
FOUCAULT L., Recueil des travaux scientifiques, Éditions Gauthier-Villars, 2 volumes 1879. DELIGEORGES S., Foucault et ses pendules, Paris: Éditions Carré, 1990 (le édition). JACOMY B., Le pendule de Foucault au Musée des Arts et Métiers, Paris: C.N.A.M., 1990. Comment on a réussi à mesurerlavitesse de la lumière, collectif, préface de J.-P. Icikovics, Les
