Introduction - Nathalie Rion

Montage n° 9 - résumé
Étude expérimentale de mouvements rapides par diverses méthodes telles que :
stroboscopie, chronophotographie, enregistrement avec une caméra numérique
(caméscope, webcam…).
Introduction
En physique, nous avons besoin d’observer des mouvements rapides afin de pouvoir dans un premier
temps, observer le phénomène et par la suite, accéder à certaines grandeurs caractéristiques (période
d’oscillation, vitesse de rotation, trajectoire, etc…). Une observation erronée conduit à une représentation
fausse du phénomène. On peu citer l’exemple des chevaux en mouvement sur les peintures : les
représentations étaient fausses jusqu’à la fin du 19ème siècle, date d’apparition de la chronophotographie
qui a permis de décomposer le mouvement d’un cheval au galop. Pourquoi n’arrivons nous pas à visualiser
les mouvement rapides ?
L’œil, le capteur humain qui nous permet de visualiser les choses, a des limites et ne distingue pas les
mouvement trop rapides.
Expérience du disque de Newton : au repos, on distingue les secteurs de différentes couleurs. Lorsqu’on
le met en mouvement (moteur), on ne distingue plus aucune couleur : on voit du blanc = superposition de
toutes les couleurs.
Que se passe t’il au niveau de notre œil ? en fait, une image se forme sur la rétine et il faut un certain
temps pour qu’une nouvelle image puisse se former. C’est ce qu’on appelle la persistance rétinienne. On
peut parler aussi de fréquence de rafraichissement. Nous allons essayer de mesurer cette fréquence.
Duffait p.247
Une diode électroluminescente est un composant semi-conducteur qui émet de la lumière lorsqu’il est
traversé par un courant dans le sens direct.
Réglons le GBF avec un signal carré de fréquence faible. L’œil perçoit l’éclairement et l’extinction
successifs de la LED.
Si nous augmentons la fréquence du signal (f=30Hz), nous ne percevons plus cette alternance. Est-ce
notre « capteur » œil ou le composant LED qui atteint une de ses limites ?
Pour le savoir, plaçons un autre capteur : une photodiode et visualisons le signal à l’oscillo. La photodiode
reçoit bien un signal : à 30 Hz, mais aussi à 400 Hz !!! Il s’agit donc bien d’une limite de l’œil. En effet,
l’image qui se forme sur la rétine y reste « imprimée » un certain temps. C’est ce temps que nous appelons
persistance rétinienne. Limite de persistance rétinienne = 30 Hz.
Les limites de l’œil nous conduisent donc à utiliser d’autres techniques pour observer des mouvements
rapides. La méthode la plus couramment utilisée est de réaliser des « échantillonnages » du mouvement.
Parmi toutes les méthodes ou techniques possibles, nous allons, dans ce montage, développer plus
particulièrement la stroboscopie et la chronophotographie.
Dans la technique de stroboscopie, ces échantillonnages sont réalisés en direct à l’aide de flashs
périodiques de fréquence réglable. Le mouvement est donc étudié en temps réel.
En chronophotographie, on fixe les images sur un support à intervalles de temps réguliers et fixes
(dépendant de la technologie utilisées). Cette technique nécessite l’exploitation ultérieure du support
d’enregistrement et ne permet pas une étude en temps réel.
I.
Stroboscopie
Nous allons commencer avec la stroboscopie. Cette technique est utilisée dans l’étude de
mouvements périodiques. Elle permet d’observer le mouvement au ralenti et d’accéder à la période du
mouvement.
I.1. Principe du stroboscope
Le principe du stroboscope a été mis en place dans la première moitié du 19ème siècle (Joseph Plateau).
Le stroboscope est une source de lumière intermittente : par un dispositif mécanique ou plus
couramment aujourd’hui, électronique, on produit une alternance de phase lumineuses (flashs) et de
phases obscures. On peut régler l’intensité et la durée des flashs ainsi que la période fixe et réglable
entre 2 flashs. (attention aux épileptiques…)
Nous utilisons un disque noir comportant un secteur blanc, entraîné par un moteur à courant continu dont
la fréquence de rotation dépend de la tension appliquée.
Le stroboscope utilisé possède une lampe à décharge alimentée par un générateur d’impulsions dont on
peut faire varier la fréquence. Quand on modifie la fréquence du stroboscope, on modifie l’image perçue du
mouvement. Nous allons visualiser différents cas de figure : (Duffait p.248)
I.2. Application
1.2.1.Détermination de la vitesse de rotation d’un moteur
On utilise le dispositif Jeulin. Le disque est alimenté par un moteur à courant continu. Quand on fait varier
la tension d’alimentation du moteur (<3V), on fait varier sa vitesse de rotation.
On va essayer de déterminer la vitesse de rotation du moteur à l’aide du stroboscope. On démarre à f la +
grande pour le strobo, puis on diminue jusqu’à immobilisation (réglage grossier puis fin). On vérifie qu’à
fimmobilisation/2, on a à nouveau immobilité. On fait un autre mesure avec un tachymètre (émetteur et
récepteur laser (l’envoyer sur la partie réfléchissante=pastille))
Nstobo = 1199 flashs/mn
=19,98tr/s
=N/2π
stobo = 3,18 rad/s
1.2.2. Corde de Melde (ondes stationnaires) (Duffait p.245 – Quaranta I p.257)
Le vibreur est alimenté par un GBF (donc de fréquence variable) et un amplificateur.
Principe : une corde est tendue par l’intermédiaire d’une masselotte. On fait vibrer la corde au moyen
d’un excitateur. On fait varier la fréquence de GBF jusqu’à observer un phénomène de résonance
(amplitude maximale des ventres) Rq : si on a un vibreur à fréquence fixe, il faut jouer sur la longueur de la corde
pour obtenir la résonance. On a une impression de mobilité : on voit des fuseaux avec des nœuds et des
ventres : on ne voit plus l’onde la propagation longitudinale de l’onde (on ne voit plus l’onde se propager
de gauche à droite et de droite à gauche).
Mesure : avec le stroboscope, on cherche la fréquence de vibration de la corde. On démarrer toujours
des + hautes fréquences et on diminue ensuite jusqu’à obtenir une corde immobile dans l’espace
(travailler dans l’obscurité). On mesure Nstobo = 2250 flashs/mn = 2250/60 = 37,5 flashs/s = 37,5 Hz
Comparaison avec le calcul et Comparaison avec la fréquence du GBF : fGBF = 37,58 Hz
Transition : On utilise le stroboscope pour l’étude des mouvements périodiques. Pour les mouvements non
périodiques, on utilise une autre technique.
II.
Chronophotographie
L’invention de la chronophotographie remonte à la fin du 19ème siècle. Cette technique a été inspirée des
travaux d’un américain (Muybridge – cheval au galop) et mise au point par le français Etienne-Jules
Marey. Il s’agissait à l’époque, d’enregistrer, à intervalles de temps réguliers et sur une même plaque
photographique, des images d’un être en mouvement devant l’objectif de l’appareil photo (principe du
stroboscope : disque tournant muni d’une fenêtre) (chambre noire, personne habillée en blanc).
Cette technique n’est plus utilisée en l’état aujourd’hui dans les sciences : l’appareil photo a laissé la
place au caméscope et au magnétoscope, puis à la webcam et aux logiciels de traitements d’images.
II.1 Principe de l’acquisition d’images
La technologie de l’imagerie impose certaines contraintes :
Un film est composé d’une succession d’images fixes. C’est notre persistance rétinienne qui donne l’illusion
du mouvement. La technologie de la télévision (c’est un peu différent au cinéma : 24 images par seconde)
impose l’acquisition d’une nouvelle image toutes les 40 ms, soit une fréquence de 25 images par seconde.
(attention avec les trames pairs et impaires – si on considère les trames : 1 trame = 20 ms – 50 images par
seconde). Il y a une nouvelle aquisition (une nouvelle image toutes les 40 ms), mais il est possible de régle
la durée d’ouverture du capteur. Quand on a des mouvements rapides, la durée d’ouverture doit être petite
pour éviter le phénomène de trainée (l’objet se déplace pendant le temps d’ouverture). Mais qui dit durée
d’ouverture faible, dit quantité de lumière à entrer dans le capteur faible. Il faut donc ajouter un projecteur.
II.2 Application : étude du mouvement parabolique (ou du rebond)
Le mouvement étudié est un rebond de haut en bas (pas de déplacement sur x : uniquement en y)
Exploitation de l’enregistrement. Attention : ajouter Timage = 40ms
Tracer vx=f(t), vy=f(t) (la pente doit être égale à g) ; étude énergétique : Ec, Ep, Em=cst entre 2 rebonds
𝑣
ℎ1
Coefficient de restitution : e= 𝑣𝑎𝑣𝑎𝑛𝑡 =√ℎ0
𝑎𝑝𝑟è𝑠
(les h sont obtenues sur la courbe y=f(t). ce sont les différents
maxis. Lors d’un choc parfaitement élastique, e=1 ; pour un choc parfaitement mou : e=0
Rq : on doit avoir la même valeur à chaque rebond car le coeff de restitution dépend de la balle et du sol.
S’ils sont les mêmes et s’ils sont homogènes et isotropes, on aura le même e.
Conclusion
On utilise plutôt la stroboscopie pour étudier les mouvements périodiques, ralentis et temps réel et la
chronophotographie pour tous types de mouvements. D’autres techniques pour l’étude de mouvements
rapides : mobiles autoporteurs, table à digitaliser, banc Magnum (mais plus spécifiques), ensemble
capteurs/carte d’acquisition, oscilloscope. Mais ces techniques sont propres à chaque manip.
Dans la vie courante, on utilise la stroboscopie en laryngologie pour l’observation des la vibration des
cordes vocales et pour observer le mouvement des particules (imagerie par vélocimétrie des particules PIV
= caméra + effet strobo), par exemple pour visualiser les particules lors de l’injection du gasoil dans les
moteurs et en soufflerie pour visualiser les mouvements convectifs de l’air. On utilise également ces
techniques pour visualiser les mouvements au ralenti (vol d’un colibri et effets spéciaux). Les scènes sont
filmées à 1000 images par seconde, mais on ne visionne que 24 images par seconde.
En 1999, le prix nobel de chimie a été attribué à Ahmed H. Zewail (USA - 1946- ) pour ses études des
stades transitoires des réactions chimiques par spectroscopie ultra rapide de l'ordre des femtosecondes.
Utilisation d’une caméra ultra rapide permettant de voir les transitions atomiques.