Brevet FR2404856A1 — publié le 19790427

La présente invention concerne un procédé pour la mesure de la vitesse d'objets, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé. La mesure de la vitesse d'objets, corps, masses ou autres, notamment dans l'enseignement de la physique expérimentale, pose toujours le probleme d'éviter au maximum toute influence sur l'objet mobile, c'est -dire tout contact avec ce dernier. L'enregistreur à étincelles par exemple est un moyen connu, qui exige toutefois un appareillage relativement important et impose en outre de longues opérations de dépouillement. L'invention a pour objet un procédé pour la mesure de la vitesse d'un objet, permettant d'effectuer la mesure sans contact, sans appareillage important et de façon simple. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un champ magnétique est mobile avec l'objet; l'objet se déplace latéralement devant une bobine au moins1 de façon que l'axe de cette dernière soit sensiblement perpendiculaire à la direction du mouvement; et le signal de tension induit dans la bobine, qui représente la vitesse de l'objet, est mesuré. I1 s'est révélé particulièrement avantageux d'utiliser deux bobines sensiblement coaxiales et entre lesquelles se déplace l'objet dont la vitesse doit être mesurée. Dans ce procédé, un signal de tension est induit dans les deux bobines et peut hêtre additionné et mesuré. On observe le résultat surprenant suivant : la valeur du signal de tension délivré par la ou les bobines est proportionnelle à la vitesse instantanée de l'objet mobile et convient donc comme mesure linéaire de la vitesse. Le dépouillement peut donc s'effectuer simplement à l'aide d'un enregistreur t-y par exemple, qui fait désormais partie de l'équipe- ment standard des ecoles. Un oscilloscope, à mémoire le cas échéant, est également utilisable. La mention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de mesure. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce dispositif comporte une bobine annulaire au moins, et de préférence deux bobines annulaires coaxiales, dont l'axe est sensiblement perpendiculaireà-la direction du mouvement de l'objet. En cas d'utilisation de deux bobines, ces dernières sont utilement connectées en série, de façon que le courant de mesure produit par les tensions induites y circulent en sens oppose. Le signal total de tension devient ainsi maximal. Ce mode de couplage en série permet le dépouillement et la mise en évidence des signaux de tension, et par suite des vitesses, a l'aide d'un appareil de mesure enregistreur. Le dispositif selon l'invention se prête particulièrement bien a l'étude et à la demonstration expérimentale des vibrations mécaniques d'une masse suspendue élastiquement. Lorsque cette masse présente un champ magnétique et oscille entre les deux bobines selon l'invention, de façon que son amplitude soit inférieure au diamètre des bobines, le signal de tension produit dans la paire de bobines et par suite l'image apparaissant sur l'appareil de mesure correspondent a la vitesse instan tanée de l'objet. Il convient que l'amplitude du point oscillant ne dépasse pas r/2 car, comme des mesures l'ont montré, le signal induit par l'objet dans les bobines est directement proportionnel à la. vitesse instantanée dans ce domaine.Des organes électroniques de différentiation ou d'intégration permettent d'obtenir un signal d'accélération ou de course partir du signal de vitesse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris a l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation et de la figure unique, qui représente ce dernier. L'exemple de réalisation représenté permet l'étude des oscillations d'une masse 2, suspendue a un ressort i et constituée par un aimant disque. Les bobines annulaires 3 et 4, disposées coaxialement, sont prévues pour lletude de la vitesse de l'objet oscillant; la course oscillante de llai- mant 2 est indiquée entre ces bobines par la double fleche 6. Les bobines 3 et 4, ainsi que le ressort 1, sont portes par le pied 7. Le mouvement de l'aimant 2 entre les bobines 3 et 4 induit un signal de tension dans ces dernieres. Le fil 8 connecte les bobines de façon que les signaux de tension s'ajoutent. Ce signal somme est ensuite transmis par les fils 9 et 10 à l'enregistreur t-y 11, qui fournit directement la courbe vitesse-temps. Après l'étalonnage, à l'aide de la relation v = s .tn par exemple (vmax = amplitude de vitesse, s = amplitude max max max max d'oscillation; X = pulsation de l'oscillation), le diagramme permet de déterminer aussi la vitesse instantanée à tout instant du mouvement. Les bobines annulaires 3, 4 sont montées avec un ecartement d'environ rt3, r etant le rayon de chaque bobine. Elles sont en outre disposées parallèlement à la course de mesure, chacune a une distance d'environ r.t3/2. Un godet métallique 12 mobile verticalement est en outre prévu au dessous de l'aimant disque 2. Il peut être translaté vers le haut de façon que l'aimant 2 oscillant pénètre plus ou moins dans l'ouverture et produise ainsi un freinage par courants de Foucault. Il est ainsi possible- d'étudier et de mettre en evidence des amortissements plus ou moins importants dé l'oscillation. Une paroi métallique de forme différente est également utilisable à la place du godet. Le dispositif de mesure de la vitesse selon l'invention offre de multiples possibilités d'emploi. Pour étudier par exemple des systèmes oscillants constitues par plusieurs points accouplés, il convient d'affecter à chacun des objets un dispositif selon l'invention. L'application de l'invention ne se limite toutefois pas à des systèmes oscillants. Il est egalement possible d'étudier la vitesse d'objets, tels que chariots, curseurs, etc., se déplaçant linéairement dans la paire de bobines, ou plusieurs paires de bobines successives. L'inversion est naturellement possible aussi, c'est-à-dire que l'objet mobile porte la paire de bobines, tandis que l'aimant ou plusieurs aimants successifs entourent le tout. Il en est de même pour les pendules de gravité, pendules de torsion ou mouvements suivant des arcs de cercle ou des segments de courbe à courbure variable. On utilise généralement un aimant en forme de barreau ou de disque, ou un électroaimant. Il produit un signal proportionnel a la vitesse dans une paire de bobines selon l'invention. L'essentiel est qu'un champ magnétique se deplace avec lui. La carcasse de bobine est utilement réalisée en métalloide afin d'éviter des courants de Foucault, qui risquent de freiner l'objet mobile par réaction. Tous les éléments situés au voisinage- de ce dernier, tels que rails, glissieres, etc., sont pour la même raison réalisés de préférence en métalloide. La paire de bobines ou chaque bobine peut en outre comporter utilement une gaine en matériau non-ferreux. Un tel blindage supprime les signaux parasites (bruit) dans les bobines. La gaine comporte une interruption isolante afin d'éviter des courants de Foucault. Les sorties de bobine peuvent aussi pour la même raison être équipées de cellules de filtrage ou de filtres passe-bas. Le nouveau montage expérimental permet l'enregistrement séparé ou simultane du diagramme s-t, v-t ou a-t (ou F-t) d'une oscillation mécanique linéaire libre, c'est-à-dire de l'oscillation verticale d'un pendule élastique dans l'exemple considéré. Les diagrammes ne sont pas obtenus a l'aide de differentiations : le signal s-t est obtenu par un montage potentiométrique et le signal v-t par un nouveau procédé inductif de mesure continue et sans contact de la vitesse instantanée. Le dispositif permet l'enregistrement d'oscillations non-amorties, à très faible amortissement ou à amortissement par courants de Foucault, ainsi que le tracé de courbes de résonance produites par vobulation et de diverses superpositions d'oscillations, par interférence et battement en particulier. L'enregistrement simultané d'oscillations couplées est possible, ainsi que celui de leur superposition de Lissajous. Le même procédé de mesure de v conduit a l'enregistrement des oscillations de diapason et par suite à la transition de l'''infrason'l au son. La superposition de Lissajous des signaux s-t et v-t sous forme d'un cercle est une représentation fermée de l'oscillation : le lieu permet d'affecter un point P(t; r) = P(v;s) à chaque instant t. On obtient ainsi une description univoque des grandeurs v et s de l'oscillation, avec une démonstration simultanée-de la constance de oe et de l'énergie totale : Etot ~ r ~ #r = surface du cercle. En coordonnées s-p, le cercle de Lissajous constitue l'espace de phase bidimensionnel de l'oscillateur harmonique linéaire, avec l'intégrale de phase A = Xpds = Etot/f = n.h = action, h étant l'élément de l'espace de phase. Cette consideration de physique quantique permet d'accéder au modèle de l'atome de Bohr ou à la relation d'incertitude. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et au dispositif qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Procédé de mesure de la vitesse d'un objet, caractérisé en ce qu'un champ magnétique est mobile avec l'objet; l'objet se déplace latéralement devant une bobine au moins, de façon que l'axe de cette dernière soit sensiblement perpendiculaire à la direction du mouvement; et le signal de tension induit dans la bobine, qui représente la vitesse de l'objet, est mesure. 2. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que l'objet se déplace entre deux bobines sensiblement coaxiales; et les deux signaux de tension produits dans les bobines sont additionnés, puis mesurés. 3. Procédé selon une des revendications 1 et 2, caractérisé par l'en- registrement des signaux délivres par la ou les bobines à l'aide d'un enregistreur t-y, d'un oscilloscope ou d'un oscilloscope à mémoire. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par au moins une bobine, dont l'axe est perpendiculaire à la direction du mouvement de l'objet. 5. Dispositif selon revendication 4, caractérisé par une paire de bobines sensiblement coaxiales, disposées en regard, de part et d'autre de la course de i;'objet. 6. Dispositif selon revendication 5, caractérisé par le branchement en serie des bobines de façon que les tensions induites dans les diverses bobines s'additionnent pour donner un signal total en tension aussi élevé que possible. 7. Dispositif selon une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé par un enregistreur t-y ou un oscilloscope, à mémoire par exemple, pour le dépouillement et la mise en évidence des signaux de tension délivrés par les bobines. 8. Dispositif selon une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par des bobines annulaires, dont l'écartement est d'environ r. r étant le rayon de chaque bobine. 9. Dispositif selon revendication 8, caractérisé par deux bobines annu- laires disposées parallèlement à la course de mesure, chacune à une distance d'environ r.E3/2. 10. Dispositif selon une quelconque des revendicàtions 4 à 9, caractérisé en ce que la carcasse de bobine est réalisée dans un métalloide. 11. Dispositif selon une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé par le blindage de chaque bobine ou de l'ensemble de la paire de bobines à l'aide d'une gaine métallique en matériau non-ferreux. 12. Dispositif selon revendication 11, caractérisé en ce que la gaine comporte une interruption isolante afin d'éviter la production de courants de Foucault. 13. Utilisation du dispositif selon une quelconque des revendications 4 à 9 pour l'étude des oscillations mécaniques d'un objet présentant un champ magnétique et effectuant un mouvement oscillant ou pendulaire (tel que pendule élastique, pendule de gravité, pendule de torsion ou autre). 14. Dispositif selon revendication 13, caractérisé par le montage en regardflSe l'objet oscillant d'un godet métallique déplaçable ou d'une paroi métallique déplaçable de forme quelconque. 15. Utilisation du dispositif selon une quelconque des revendications 4 a 9 pour L'étude d'un système de plusieurs objets oscillants, par affectation d'un dispositif à chacun desdits objets.