| VENEZ VOIR TOURNER
LA TERRE… Par: Cindy Bouchard La rotation de la Terre en a intrigué plus d’un. Déjà dans les environs de 310 avant Jésus-Christ un savant, Aristarque de Samos, proposait une théorie sur notre système solaire, celle de l’héliocentrisme où la Terre serait la troisième planète à partir du Soleil. Cependant ce fut la théorie du géocentrisme, ayant comme fervents partisans de grands philosophes comme Platon, qui a traversé les siècles jusqu’à Copernic qui «ré instaura» l’héliocentrisme. Celui-ci n’a d’ailleurs pu continuer ses investigations ayant été condamné par l’ Église qui prônait le géocentrisme. Les études de Copernic seront reprises et travaillées par plusieurs autres pères de la science, comme Kepler et Galileo Galilei. Galilée, en 1633, était déjà convaincu de la rotation de la terre sur elle-même. En sortant du tribunal de l’ Inquisition il a dit pour lui-même: «Mais pourtant elle tourne!». Enfin cette conception nous amènera à un autre père de la science, l’honorable sir Isaac Newton… |
Sir Isaac Newton (1643-1727) |
Sir Isaac Newton, mathématicien et physicien anglais, est l’un des plus grands génies que l’espèce humaine ait produits. Il a porté la révolution scientifique du XVII e siècle à son point culminant et a établi les grandes lignées du système de sciences naturelles qui dominent encore aujourd’hui notre pensée. Newton est le tout premier à développer le calcul intégral et différentiel; il a inventé un télescope ayant comme objectif un miroir concave. À cette invention il doit sa place à la Royal Society. Il a aussi présenté une loi sur le refroidissement par conduction ainsi que certaines observations sur les températures d’ébullition et de fusion et il a décrit un thermomètre. |
De plus, son calcul des mouvements , d’où il tire sa loi de gravitation universelle, sert de base à la dynamique moderne comportant ses trois fameuses lois. À 18 ans, Newton fut admis à l’université de Cambridge où il passera quarante années de sa vie, d’abord en temps qu’étudiant et ensuite en temps que professeur. Il passera parallèlement sa vie dans la Royal Society comme membre du conseil au début et finalement comme président. Il occupera d’ailleurs ce poste jusqu’à sa mort en 1727. La rotation de la Terre selon Newton Newton est le premier à s’apercevoir que la rotation de la Terre posait un problème essentiellement différent de la translation. Il raconte «qu’il s’est convaincu du caractère absolu de la rotation de la terre en suspendant par une longue corde un seau rempli d’eau puis en le tordant la corde en abandonnant l’ensemble à lui-même. Ce qui provoque la mise en rotation du seau…». Newton a observé lors de cette expérience que la surface de l’eau s’incurve, donc qu’il y a l’apparition de forces (pseudo) induites par le mouvement de rotation et non pas dues à des objets matériels en interaction avec le seau. L’inertie, une loi importante de Newton «TOUT CORPS CONSERVE SON
ÉTAT DE REPOS OU DE MOUVEMENT RECTILIGNE UNIFORME, À MOINS QUE DES FORCES N’
AGISSENT SUR LUI ET NE LE CONTRAIGNENT À CHANGER D’ÉTAT ». La loi de l’inertie décrite par Newton est le point de départ des réflexions du physicien Jean Bernard Léon Foucault pour l’élaboration de son pendule, preuve de la rotation de la Terre. Afin d’énoncer cette loi du mouvement en 1687, Newton s’était appuyé sur les travaux de Galilée et du philosophe français René Descartes. Cette loi, très claire, explique qu’un corps qui ne subit aucune force garde son état. Par exemple, si une balle roule sur une surface plane horizontale sans frottement, elle continuera à rouler, à la même vitesse, dans la même direction. Cependant, si cette même balle roule sur une surface ayant du frottement, elle ralentira et s’arrêtera sous l’effet de la force que le frottement exerce sur elle. |
| Jean Bernard Léon Foucault (1819-1868) |
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Jean Bernard Léon Foucault, mieux connu sous le nom de Léon Foucault, est né et mort (d’une paralysie le 2 février 1868) à Paris. Léon a fait des études en médecine avant de se tourner vers la physique expérimentale, une passion pour lui. Au début de sa profession il s’occupait de perfectionner les procédés de Daguerre et il était préparateur d’un cours de microscopie médicale. Il a ensuite travaillé avec Arago et le physicien français Hippolyte Fizeau. |
Foucault se fait d’abord connaître en 1850 par sa détermination, avec Fizeau, de la vitesse de la lumière effectuée par la méthode du miroir tournant. Indépendamment, il a prouvé que la vitesse de la lumière est plus élevée dans l’air que dans l’eau. Pour en venir à cette conclusion il a comparé différentes vitesses, dans le vide, dans l’air et dans différents milieux transparents dont l’eau. À la même époque, il a donné l’explication du magnétisme de rotation d’Arago par l’existence de courants parasites (dits courants de Foucault: ce sont les courants induits dans les pièces métalliques en mouvement dans un champ magnétique) générés dans les champs magnétiques. Il a imaginé un régulateur pour arc électrique et a remarqué que l’arc peut émettre ou absorber la même radiation. En 1851, il met en évidence la rotation de la Terre à l’aide d’un pendule, invention qui sera détaillée un peu plus loin. L’année suivante, il a inventé le gyroscope et a établi la théorie des phénomènes gyroscopiques. Il fabriqua, en 1857, l’interrupteur à mercure: son principe est encore utilisé dans les bobines d’induction. Cette même année, il a remplacé les miroirs de verre argenté par des miroirs métalliques dans les télescopes et a conçu l’année d’après une méthode de mesure de la courbure des miroirs et une méthode de retouches locales pour la fabrication des miroirs. Foucault s’est aussi fait connaître dans le domaine de la photographie et est l’auteur d’autres instruments dont le prisme polarisateur qui est à la base du gyrocompas moderne. |
| Brève histoire du pendule de Foucault |
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Le pendule de Foucault est né en 1851 dans la cave de la maison maternelle (34, rue d’Assas à Paris). C’était l’endroit où Léon avait installé son laboratoire de travail. Ce premier pendule était constitué d’une petite boule de 5kg suspendue à un fil d’une longueur de deux mètres. Sa toute première présentation se fera à la salle de la méridienne à l’observatoire de Paris. Cette fois, le pendule mesure onze mètres. Toutefois, sa première démonstration publique officielle s’est déroulée au Panthéon, à la demande du président de la République, le prince Bonaparte. |
Pour ce grand événement, Foucault lancera l’invitation de venir voir tourner la Terre. Il utilisera une boule de 28 kg fixée à l’extrémité d’un fil d’acier long de 67 m ayant un diamètre de 1,4 mm. En fait, c’est une corde de piano, gracieuseté de la compagnie Pleyel. Sous le pendule se trouvait un cercle gradué surmonté de monticules de sable où le pendule venait écorner et laisser sa trace à chaque aller/retour. Ainsi, les hommes du commun pouvaient eux aussi reconnaître aisément le mouvement de rotation de la Terre. |
| Comment constater que la Terre tourne |
Vous êtes au Panthéon, au Lycée cantonal, ou à l’église des Jésuites devant ce large pendule qui est entraîné dans un long mouvement de balancier. Comment pouvez-vous constater la rotation de notre chère planète ? Cela est très simple:
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| La relativité du mouvement |
Nous savons tous qu’il n’existe que deux types de mouvements possibles, soit la translation et la rotation. Les autres mouvements sont des simples combinaisons de ses deux mouvements fondamentaux. Il est aussi bien connu que pour déterminer le mouvement de translation il faut se référer à un référentiel fixe. Prenons l’exemple commun d’un passager dans un train qui voit le train de la voie adjacente démarrer. Il ne sait pas si c’est son train qui s’est mis en mouvement ou l’autre. Pour le savoir, il doit se référer à un autre objet, par exemple un arbre ou la gare. Sans ce point fixe, il ne pourrait pas trancher. D’ailleurs cette propriété a été érigée en principe: la relativité galiléenne. |
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Cependant, en ce qui concerne la rotation, c’est tout à fait différent. Pour la rotation, même uniforme, il en va autrement. Pourquoi cette différence, entre la translation et la rotation ? Personne ne le sait, notre univers est fait ainsi. Même dans une salle sans fenêtre, il est possible de constater la rotation de la Terre, et cela grâce au pendule de Foucault.Le principe du pendule est basé sur la loi de l’inertie. Comme nous l’avons vu, celle-ci dit qu’un corps ne change pas d’état si aucune force extérieure n’est exercée sur lui. |
Or, si le pendule semble tourner par rapport au sol et que nous savons qu’il n’y a aucune force «disponible» pour le faire tourner et qu’il n’y aucune force extérieure qui puisse venir interrompre son état de balancement, alors il faut que ce soit le sol qui soit en rotation, selon le principe de la relativité galiléenne. Comme nous le savons, le sol est attaché à la Terre, donc il faut que la Terre soit en rotation. Voilà comment le pendule démontre la rotation de la Terre. C’est un principe pourtant simple, mais pas toujours évident. Une question reste cependant dans l’ombre. Comment comprendre que le pendule ne soit pas solidarisé avec le Panthéon où il est accroché, avec la Terre qui continue sa giration? Il semblerait qu’il y a une raison physique particulière qui lui permet de se rendre «indépendant» de son point d’accrochage. Le pendule s’est donc désolidarisé de la coupole du Panthéon. Vraisemblablement, les pendules sont toujours orientés dans la même direction de l’espace, même si leur point d’attache (fait d’un roulement à bille) est en rotation et c’est aussi le cas pour le pendule de Foucault. |
| Principe de l’expérience de Foucault: |
Pour démontrer la rotation de la Terre, la longueur ainsi la période d’oscillation du pendule n’importe peut. Seulement, un plus long et plus lourd pendule mettra plus en évidence le mouvement de rotation. Ce qui importe dans cette expérience c’est plutôt la période de rotation du pendule, car c’est elle qui prouve la rotation de la Terre. Étant donné qu’un pendule oscille toujours dans le même plan selon les étoiles, le fait qu’il change d’orientation selon le référentiel tournant qu’est la Terre démontre que celle-ci est bel et bien en rotation. Ce qui est aussi intéressant, c’est qu’en fait, le pendule de Foucault n’est qu’un pendule simple. Donc, cette preuve est la portée de tous. |
| Quel est le sens de rotation ? |
Selon les travaux de Coriolis, pour les observateurs de l’hémisphère Nord, le sens de rotation est horaire, soit celui des aiguilles d’une montre et pour ceux de l’hémisphère Sud, le sens de rotation est anti horaire. La période de rotation de la Terre n’est la même partout. Si on mettait le pendule au pôle, celui-ci aurait une période de rotation de 24 h, tandis qu’à l’équateur, la période de rotation du plan d’oscillation est infinie: le plan est donc fixe par rapport à la Terre. |
| Le calcul de la période de rotation : |
Mais comment calculer la période de rotation d’un pendule à un endroit précis? Pour une période de rotation q :
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Le pendule de Foucault a repris vie en 1995 au Panthéon pour l’ouverture de «Science en Fête», mais il n’est plus unique ! Nous pouvons le retrouver en Californie à l’Académie de Sciences ou peut-être même chez vous ! Surpris? Sachez que depuis 1951, vous pouvez commander un pendule de Foucault à cette institution. Mais en fait, sommes nous vraiment persuadés d’être emportés par ce large mouvement qu’est la rotation de la Terre ? |
Rien n’est moins sûr ! Une expérience menée par Michelson-Morley, en 1881/1887, a eu pour conclusion que la Terre est immobile dans l’éther. Et que diriez-vous de ceci: Naguère, une enquête avait révélé que sur 55 millions de Français normalement scolarisés, 5 millions d’irréductibles pensaient, dur comme fer, que c’est le Soleil qui continuait à s’amuser autour de nous ! Alors, curieux et indécis, ne manquez donc pas ce rendez-vous exceptionnel avec Foucault… |
| Pour information concernant l’achat d’un pendule de Foucault ou
pour tout autre renseignement : Instrument Shop/Cary Ponchione Email :cponchione@calacademy.org |
| BIBLIOGRAPHIE
SOURCES DES IMAGES
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