Brevet FR2754600A1 — publié le 19980417

La présente invention concerne un dispositif rotatif, didactique et accessoirement ludique, permettant de mettre en évidence et mesurer l'accélération apparente résultant de la combinaison de mouvements et usuellement appelée accélération de Coriolis. Deux versions sont proposées, l'une à grande échelle où l'observateur pénètre dans le dispositif, mesure et constate in-situ les effets de l'accélération de Coriolis, autre à petite échelle où l'observateur est extérieur au dispositif, mesure et observe ces effets à l'aide d'une caméra et d'un accéléromètre qui sont placés dans le dispositif et qui tournent avec ce dernier. L'accélération de Coriolis est facile à exposer de façon théorique, sa mise en évidence expérimentale n'est en revanche pas aisée : l'effet est faible sauf à vitesse angulaire élevée - mais alors l'observation visuelle est difficile, d'autant que l'accélération centrifuge perturbe cette observation. Le dispositif suivant l'invention permet de s'affranchir de ces difficultés. Il comporte, selon une première caractéristique, une pièce en rotation dont une partie au moins est en forme de paraboloïde de façon à compenser l'accélération centrifuge, ainsi qu'un accéléromètre qui prend appui sur celle-ci et peut se déplacer sur sa surface. Selon des modes particuliers de réalisation - les mouvements de l'accéléromètre peuvent être engendrés par des servomoteurs commandés à distance. - une nacelle, mobile en translation selon l'axe du dispositif et pouvant être mise en rotation, peut permettre d'introduire un observateur à l'intérieur même du dispositif, en le faisant passer d'un niveau à l'autre indépendamment des vitesses de rotation relatives. - une caméra peut être installée à l'intérieur de la partie tournante du dispositif afin de transmettre à l'extérieur les indications de l'accéléromètre, en temps réel ou différé. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description explicative qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins non limitatifs joints, dans lesquels - la figure 1 représente, en coupe, la version à petite échelle du dispositif selon l'invention. - la figure 2 représente, en coupe, la version à grande échelle du dispositif selon l'invention. - la figure 3 représente, en coupe, le paraboloïde tournant qui équipe le dispositif. - la figure 4 est une représentation en perspective et en coupe d'une variante de la figure 3 avec un paraboloïde double, conçu pour deux vitesses de rotation wo et w'o. - la figure 5 représente une autre variante de la figure 3, en perspective et en coupe, avec une partie plane et une partie en forme de paraboloïde. - la figure 6 décrit en vue de dessus un exemple de quadrillage pouvant utilement figurer, avec des couleurs variées, à la surface des pièces tournantes représentées sur les figures 3, 4 ou 5. - la figure 7 représente, en vue de face, un accéléromètre de type pendule. - la figure 8 représente, en vue de dessus, un accéléromètre à bille maintenue par des ressorts. - la figure 9 représente, en vues de face et de dessus, un accéléromètre constitué de deux masselottes tenues par deux lames souples orthogonales. - la figure 10 schématise à titre d'exemple 3 possibilités de mise en rotation de l'observateur lors de son introduction dans la partie tournante du dispositif (évolution de la vitesse de rotation en fonction du temps). - la figure 11, en coupes de face et de dessus, représente une réalisation possible du dispositif d'introduction de l'observateur. - la figure 12 représente en coupe une autre réalisation possible de ce même dispositif. - la figure 13 est une représentation schématique et en perspective d'un chariot support d'accéléromètre. Avant de décrire de façon détaillée les deux versions du dispositif il convient de décrire deux éléments communs à ces deux versions, le paraboloïde et l'accéléromètre. Conformément à la figure 3, le paraboloide (1) a son axe vertical, I'ouverture dirigée vers le haut. Il est défini de façon que, lorsque la vitesse angulaire atteint sa valeur de référence wO, la résultante vectorielle R de l'accélération centrifuge C et de l'accélération de la pesanteur P soit en tout point normale à sa surface. En pratique, la surface pourra légèrement différer du paraboloïde parfait, de façon que ce soit la partie active de l'accéléromètre décrit ci-dessous qui se trouve être elle-même sur un paraboloïde parfait par la suite, le terme de paraboloïde intègrera cette possibilité de décalage. Une partie du paraboloïde peut être remplacée par une partie de paraboloïde calculée pour une vitesse angulaire w'0 différente de wO, selon la figure 4, ou par un secteur plan selon la figure 5. Pour faciliter les repérages, le paraboloïde et l'éventuel secteur plan peuvent comporter des bandes de couleur circulaires, radiales et en quadrillage, comme indiqué à titre d'exemple sur la figure 6 en vue de dessus. Le (ou les) accéléromètre (2) peut être réalisé de différentes façons, sans que sa conception influe sur la présente invention. Il doit mesurer l'accélération selon deux axes orthogonaux, soit directement soit par combinaison de deux accéléromètres à un axe. La lecture doit être de préférence visuelle pour une meilleure appréhension par l'observateur, mais elle peut être complétée par une mesure électrique ou électronique éventuellement transmise à distance et (ou) enregistrée sur un support quelconque. Un fluide visqueux pourra utilement amortir les oscillations de la masse mobile. Les trois modes de réalisation suivants sont donnés à titre d'exemples - un pendule (6), de préférence dans un cône ou une pyramide (7) à fond gradué, transparents, selon figure 7 en vue de face. - une bille (8) maintenue par quatre ressorts (9), dans un boîtier (10) gradué et transparent selon la figure 8 en vue de dessus. - deux masses (11) fixées à deux tiges souples (12) orthogonales dans un boîtier gradué (13), selon la figure 9 en vues de face et de dessus. Dans sa configuration de base, le dispositif à grande échelle est réalisé selon la figure 2. Son dimensionnement est, à titre indicatif, de l'ordre de grandeur suivant - diamètre 10 m. - hauteur 10 m. - vitesse angulaire 1 rad/s. I1 est constitué de tout ou d'une partie des éléments suivants - un bâtiment (21), qui peut être totalement ou partiellement enterré, et qui comporte un plafond fixe (22). - un système d'entraînement (23), typiquement électrique ou électro-hydraulique. - un palier inférieur (24). - un palier supérieur (25) de grand diamètre, ménageant un passage important selon l'axe. - le paraboloïde (1) entraîné en rotation par le système d'entraînement (23). - un plateau plan (26) facultatif, lié au paraboloïde (1) et tournant avec lui. - en variantes, le dispositif peut comporter deux paraboloïdes superposés et calculés pour deux vitesses angulaires wo et w'o, ou bien des secteurs de ces paraboloïdes selon la figure 4, ou bien un secteur plan et un secteur paraboloïde selon la figure 5. - un faux-plafond tournant (27) destiné à masquer le plafond fixe (22). - une partie cylindrique (28), qui peut comporter des panneaux semi-réfléchissants permettant, selon les conditions d'éclairage, de rendre la rotation apparente ou pas. - un dispositif d'ascenseur rotatif destiné à introduire les observateurs (29) dans la partie tournante du dispositif principal, selon son axe et par le haut. Une nacelle cylindrique (30) peut traverser le palier supérieur (25); elle est déplacée verticalement et en rotation par un mécanisme d'entraînement (31). Sa mise en rotation jusqu'aux vitesses de rotation wo ou w o pourra être régulière ou irrégulière, selon l'une ou l'autre des courbes données à titre indicatif sur la figure 10. La nacelle (30) pourra être traversée par une tige (33) par exemple à section carrée ou crénelée, fixe verticalement et entraînant en rotation la nacelle, selon la figure 1 1 ; dans ce cas les déplacements verticaux peuvent être commandés par un câble (34). Afin de laisser entièrement libre la surface du paraboloïde, une autre réalisation selon la figure 12 consiste à suspendre la nacelle (30) à la tige (35) qui l'entraîne à la fois en rotation et en translation ; la tige (35) peut être utilement réalisée selon un dispositif télescopique. - un (ou plusieurs) accéléromètre (2); afin de conserver ses deux axes parallèles au plan tangent au paraboloïde au point concerné, il pourra être fixé à un chariot (32) schématisé sur la figure 13. Le chariot (32) peut être motorisé et télécommandé de façon à suivre des trajectoires précises, définies à l'avance, et à vitesse constante en projection horizontale. Il pourra également être muni d'un système de mesure de vitesse et d'accélération en vue d'une analyse à distance et (ou) différée. - différents systèmes de sécurité, notamment un accès de secours à l'intérieur du paraboloïde et des verrouillages de la porte de l'ascenseur. - des moyens de communication, par exemple par radio, entre l'observateur (29) et l'opérateur du dispositif. Le principe de fonctionnement est le suivant. La partie tournante étant à la vitesse de référence wo, l'observateur (29) est introduit au moyen de la nacelle (30). A l'aide de l'accéléromètre (2), il effectue des essais statiques puis dynamiques ; il peut pour cela suivre les lignes tracées au sol. L'emploi du chariot (32) pourra utilement faciliter les mouvements à vitesse uniforme dans le plan horizontal. De plus, les effets de l'accélération de Coriolis peuvent être mis en évidence de manière non quantitative mais spectaculaire: mouvements rapides des bras, sauts en longueur, lancers de ballon, utilisation d'une bicyclette... Dans sa configuration de base, le dispositif à petite échelle est réalisé selon la figure 1. Son dimensionnement est, à titre indicatif, de l'ordre de grandeur suivant - diamètre 2 m. - hauteur 1,5 m. - vitesse angulaire 3 rad/s. I1 est constitué de tout ou d'une partie des éléments suivants - un boîtier (41), si possible transparent, incluant un couvercle et un verrouillage de sécurité. - un système d'entraînement (42), typiquement électrique, susceptible d'intégrer un système de freinage. - deux paliers, inférieur (43) et supérieur (44). - le paraboloïde (1); en variante, il peut comporter un secteur en forme de paraboloïde calculé pour une vitesse w'o, ou un secteur plan, selon les figures 4 et 5 respectivement; dans une autre variante, le paraboloïde peut être amovible, de façon à pouvoir le remplacer par un autre paraboloïde calculé pour la vitesse w'o, ou par un plateau plan. - une structure (45), support de la partie tournante ; elle peut typiquement être constituée d'un ou plusieurs cadres en aluminium ou par le prolongement cylindrique du paraboloïde (1), similaire à celui de la version à grande échelle. - un accéléromètre deux axes (2), pouvant être monté sur roues ou sur billes pour faciliter ses déplacements. - une articulation équipée de deux servomoteurs (3) destinés à la commande à distance suivant deux directions des déplacements de l'accéléromètre (2). - un bras télescopique (47) entraînant l'accéléromètre (2) tout en lui permettant de rester au contact du paraboloïde (1). - une caméra (4) suivant les déplacements de l'accéléromètre (2) et permettant l'observation à distance de ses indications ; elle est l'équivalent de l'oeil de l'observateur de la version à grande échelle. - une masse mobile (49) destinée à maintenir l'équilibrage dynamique lorsque l'ensemble caméra (4) - bras télescopique (47) - accéléromètre (2) se déplace. - des liaisons électriques, radioélectriques ou optiques entre les parties tournantes et fixes du dispositif. - un ensemble (50) de contrôle - commande - visualisation - mesure, comprenant la commande de vitesse angulaire, la commande des déplacements de l'accéléromètre (2), la visualisation en temps réel et éventuellement l'enregistrement des images fournies par la caméra, la mesure à distance éventuelle de l'accélération. Cet ensemble peut utilement être piloté par un appareillage informatique, permettant notamment de programmer des vitesses de déplacement relatives rigoureusement constantes. Le principe de fonctionnement est le suivant. La partie tournante est mise à la vitesse de rotation de référence wo ; au moyen de la caméra (4) et éventuellement des télémesures, I'observateur externe au dispositif observe l'accélération indiquée par l'accéléromètre (2), d'abord en position statique puis lorsque l'accéléromètre (2) se déplace de façon rectiligne suivant différentes directions, avec une vitesse constante en projection sur le plan horizontal. Les applications du dispositif à grande échelle concernent les musées ou autres organismes de vulgarisation des sciences et des techniques, ainsi que les parcs d'attraction axés sur le futur - le déplacement dans la nacelle pouvant dans ce cas être assimilé à un voyage interplanétaire. Le dispositif à petite échelle trouve sa place dans les établissements d'enseignement. supérieur et les lycées ; il peut être utilisé en cours à titre de démonstration, ou sous forme de travaux pratiques à réaliser par les étudiants. REVENDICATIONS 1) Dispositif destiné à mettre en évidence et mesurer l'accélération apparente résultant de la combinaison de mouvements et usuellement appelée accélération de Coriolis, caractérisé en ce qu'il comporte une pièce en rotation (1) dont une partie au moins a une fonne proche d'un paraboloïde, et un accéléromètre (2) qui prend appui sur cette surface en forme de paraboloïde (1) et peut se déplacer sur celle-ci. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que des servomoteurs (3) permettent une commande à distance des déplacements de l'accéléromètre (2) sur la surface en forme de paraboloïde (1). 3) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une nacelle (30) mobile verticalement le long de l'axe du dispositif et pouvant être mise en rotation autour de cet axe, permettant de faire passer des personnes d'un premier plateau fixe (22) ou en rotation à un second plateau (1) ou (26) coaxial au premier et tournant à une vitesse différente. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une caméra (4) est introduite dans la partie en rotation du dispositif afin de transmettre à l'extérieur de celui-ci les indications de l'accéléromètre (2).