Musée des arts et métiers

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1 L E S C A R N E T S LE PENDULE DE FOUCAULT Conservatoire National des Arts et Métiers Musée National des techniques 292, rue Saint-Martin «Vous êtes invités à venir voir tourner la Terre, dans la salle méridienne de l Observatoire de Paris.» PARIS

2 2 Collections Pendule de Foucault, 1851 Sphère d acier de 19 kg ayant servi aux premières expériences de Foucault dans sa cave rue d Assas. Inv Don de Mme Léon Foucault mère en 1869 Pendule de Foucault, 1855 Ce pendule fixé à la voûte de la chapelle du Musée est celui qui fut installé à l Exposition universelle de Inv Don de Mme Foucault mère en 1869 Boule du pendule du Panthéon Cette boule a servi à la fameuse expérience réalisée au Panthéon en C est une sphère d une masse de 28 kg constituée d une enveloppe de laiton renfermant du plomb ; elle était fixée à l extrémité d un fil de 67 m de longueur et de 14/10 mm de diamètre. Inv Entrée dans les collections en 1894 LES OBJETS DE FOUCAULT AU MUSÉE DES ARTS ET MÉTIERS En mécanique : - L APPAREIL ÉLECTROMAGNÉTIQUE permettant d entretenir le mouvement du pendule. Inv L APPAREIL DE SYLVESTER permettant de représenter la rotation apparente du plan d oscillation du pendule sous différentes latitudes. Inv LE GLOBE TERRESTRE sur lequel figurent les orientations successives du plan d oscillation du pendule. Inv LE GYROSCOPE de Léon Foucault, par Dumoulin- Froment, avec ses accessoires. Inv (1 à 3) En optique : - L APPAREIL DE FOUCAULT pour la mesure de la vitesse de la lumière. Inv LA SOUFFLERIE AVEC DIAPASON servant à cet appareil et construite par Dumoulin-Froment. Inv LE MIROIR DE TÉLESCOPE, attribué à Léon Foucault, ainsi que le grand polarisateur, par J. Duboscq. Inv Pour d autres travaux : - LE RÉGULATEUR À CONTACTS. Inv L ENREGISTREUR À CYLINDRE avec régulateur de Foucault, par Breguet. Inv LE RÉGULATEUR DE FOUCAULT. Modèle de J. Digeon. Inv LES APPAREILS D INDUCTION DE FOUCAULT. Inv et L INTERRUPTEUR À MERCURE DE FOUCAULT pour bobine d induction. Inv UNE PHOTOGRAPHIE DAGUERRIENNE DU SOLEIL. Inv

3 3 Histoire L HISTOIRE DU PENDULE «Vous êtes invités à venir voir tourner la Terre, dans la salle méridienne de l Observatoire de Paris.» C est en ces termes que Léon Foucault avait rédigé le carton d invitation qui conviait les personnalités scientifiques de l époque à assister à l expérience de son pendule, le 3 février La nouvelle que Léon Foucault fit connaître officiellement à l Académie des Sciences de Paris ce 3 février, provoqua une grande émotion. Nul ne doutait que la Terre tournât, mais jamais aucune expérience n avait eu le caractère saisissant d une démonstration comme celle de Foucault, qu il s agisse des preuves fournies par l astronomie ou des expériences délicates sur la chute des corps. Celles-ci, exécutées sur de grandes hauteurs, devaient indiquer un écart du point de chute vers l est par rapport à la verticale du point de départ, mais elles se soldèrent toutes par des échecs. Foucault aiguisa la curiosité du monde scientifique de l époque. En quelques jours, le mathématicien J. Binet avait construit une théorie analytique de l expérience de Foucault. Le 10 février 1851, il L expérience du pendule au Panthéon en 1851

4 4 Histoire LE PENDULE DANS L HISTOIRE DES SCIENCES ET DES TECHNIQUES Foucault et ses contemporains 1840 Goodyear (E.-U.) découvre la vulcanisation du caoutchouc Krupp (Al.) fabrique des canons en acier fondu Sainte-Claire Deville (F.) met au point une méthode de production industrielle de l aluminium Bessemer (G.-B.) invente le convertisseur pour la production en masse de l acier. Foucault et ses précurseurs Antiquité et Moyen Âge Le géocentrisme domine : la Terre est au centre de l Univers ; Ptolémée (140). Renaissance L héliocentrisme remplace le géocentrisme (les planètes tournent autour du Soleil) : tour du monde de Magellan (1519), Copernic (1543), Galilée (1610). Ère moderne Newton et le principe de l attraction universelle (1687). Ère contemporaine Laplace : premier ouvrage de mécanique céleste (étude des mouvements et des forces régissant les planètes du système solaire, (1796). L héliocentrisme s impose en France. Foucault (1851) démontre expérimentalement le mouvement de la Terre établi par la mécanique céleste. présenta son Mémoire à l Académie des sciences dont il était membre : «L Académie a entendu, avec beaucoup d intérêt, la communication que lui a faite M. Arago d une belle expérience exécutée par M. Foucault : son objet est de montrer qu un pendule simple et libre, mis en oscillation dans un plan déterminé, ne conserve pas l orientation de ce plan.» Foucault renouvela son expérience au Panthéon en mars 1851 à la demande du prince Bonaparte. La hauteur du dôme du Panthéon permit à Foucault d utiliser un pendule de 67 mètres. Avec une telle longueur, la période d oscillation (temps mis par le pendule pour effectuer un aller et un retour) est très élevée (environ 16,5 secondes). La rotation effectuée par la Terre pouvait être suivie à chaque période en observant l évolution des traces laissées par la pointe de la sphère dans un banc de sable humide. Cette rotation équivalente à la déviation du plan d oscillation du pendule était de un degré en cinq minutes. Les oscillations s amortirent environ en 6 heures, le plan d oscillation avait dévié d à peu près 70. Foucault reprit son expérience lors de l Exposition universelle de 1855, les oscillations étaient alors entretenues par un appareil électromagnétique.

5 5 Comment ça marche LE FONCTIONNEMENT DU PENDULE Observons le pendule. Suspendue à la voûte de la chapelle du Musée par un fin câble d acier, une lourde sphère de métal se balance imperturbablement. A sa partie inférieure, une pointe permet d en suivre la trajectoire et de repérer, par rapport au cadran horaire de la table, la déviation angulaire que cette trajectoire subit au fur et à mesure que le temps s écoule. Si vous observez la position du plan d oscillation du pendule entre deux instants séparés d une heure, vous constaterez que celui-ci semble avoir pivoté d un angle d environ 11. Le plan d oscillation du pendule conserve sensiblement la même direction. Ce sont la Terre et le spectateur qui, dans l espace, ont tourné. A Paris, le plan d oscillation du pendule pivote apparemment de 11 en 1 heure Êtes-vous bien sûr que ce soit le pendule qui ait tourné? La table repose sur le sol ; vous-même, observant le pendule, êtes immobile par rapport à la table. Vous en concluez, bien évidemment, que c est le plan d oscillation du pendule qui a pivoté de 11 en une heure. L illusion est parfaite, mais ce n est qu une illusion. Souvenonsnous que, par cette expérience, Foucault voulait démontrer sans ambiguïté que la Terre tournait. Pour mieux comprendre, imaginez que vous ayez pris place dans un satellite immobile dans l espace. De là-haut, vous apercevez la Terre, Paris et l édifice de la chapelle qui tournent autour d un axe qui passe par les pôles Nord et Sud. La table du pendule et les personnes qui observent le pendule sont entraînées dans le même mouvement de rotation. Par contre, si vous observez le pendule, vous constatez que, lorsque la Terre tourne, son plan d oscillation ne pivote pratiquement pas. La qualité d un pendule est en effet de ne pas suivre le pivotement de son support, aussi permet-il de mesurer, dans le temps, la rotation que ce support, ici la chapelle, donc la Terre, a effectuée par rapport à son plan d oscillation. L angle de 11 que vous aviez mesuré correspond, en fait, à la rotation de la table, donc de la Terre, par rapport au plan d oscillation du pendule, lequel a conservé sensiblement la même direction. Sans vous en apercevoir, c est vous qui, avec la Terre, avez tourné par rapport au pendule.

6 6 Comment ça marche La preuve! Réalisez un petit pendule que vous placerez sur une table et lancez-le dans une direction donnée. Ensuite, faites tourner lentement son support en laissant sa base en appui sur la table. Vous pourrez constater que la direction de son plan d oscillation demeure constante, quel que soit l angle dont vous faites pivoter le support. Dans quel sens semble tourner le plan d oscillation du pendule de Foucault? Tom-Tit, La science amusante, 2 e série, 1891 Le plan d oscillaton d un pendule demeure invariable lorsque l on fait tourner son support. La rotation apparente du plan d oscillation augmente avec l angle de latitude. Le plan d oscillation du pendule est fixe dans l espace ; la Terre et nous-mêmes tournons par rapport à celui-ci. Nous avons donc l impression que le pendule pivote dans un sens de rotation inverse à celui de la Terre, soit dans le sens des aiguilles d une montre. La rotation de la Terre mesurée par un pendule est-elle la même en tous les points du globe? Observez le cadran horaire de la table du pendule. En 24 heures, soit lorsque la Terre effectue un tour complet autour de son axe, la rotation de la table par rapport au pendule est d environ trois quarts de tour, plus exactement de 267. Mais cette valeur n est vraie que pour un pendule situé à Paris. En un autre point du globe, elle sera différente. Elle augmente avec la latitude, c est-à-dire la distance à laquelle se situe le pendule par rapport à l équateur. Ainsi, un pendule placé à l équateur n indique, lorsque la Terre tourne, aucune variation d orientation de son plan d oscillation par rapport au cadran de la table. Par contre, un pendule situé au pôle effectue, par rapport à la table, un tour complet en 24 heures. La valeur de cet angle A peut être calculée précisément en appliquant la loi des sinus : A = 360 x sin (angle de latitude). Au Panthéon, où la latitude est de , on a : A= 360 x sin = 271.

7 7 L auteur FOUCAULT L INVENTEUR DU PENDULE Un autodidacte de génie Foucault, né le 18 septembre 1819 à Paris, est mort jeune, à 48 ans. «Rien dans son enfance n annonçait qu il dût être illustre un jour ; il était d une santé délicate, d un caractère doux, timide et peu expansif.» Ainsi, le physicien Lissajous, ami intime de Foucault, le décrivait-il. Réfractaire aux études académiques, il n en deviendra pas moins membre de l Institut. Dès treize ans, il commence à construire des objets scientifiques. D abord un bateau, puis très vite un télégraphe, enfin une machine à vapeur. Le cap du baccalauréat franchi, il s inscrit à la faculté de médecine, pour renoncer bien vite à cette carrière. Sensible, il a du mal à supporter la vue du sang! Bien que dépourvu d une réelle culture mathématique, il deviendra physicien. Ses facultés d autodidacte lui permirent de devenir un expérimentateur de génie. Nous lui devons, entre autres, un régulateur pour lampe à arc voltaïque, des travaux sur les daguerréotypes et sur l induction dans les masses métalliques en mouvement, la détermination expérimentale de la vitesse de la lumière. En optique, il apporta des perfectionnements à la construction des télescopes. En mécanique, ses découvertes sont non moins importantes. À la démonstration physique de la rotation de la Terre, il faut ajouter l invention du gyroscope.

8 8 L auteur Foucault le scientifique et Froment le constructeur : un dialogue fécond. Il serait injuste en parlant de Foucault de ne pas citer Paul- Gustave Froment, constructeur d instruments scientifiques, dont Foucault écrivait : «C était à désespérer du succès si nous n eussions connu dès longtemps M. Froment, dont la main sûre et la légèreté ont déjà réalisé tant de merveilles.» Si, finalement, la postérité ne retiendra que le nom du scientifique, ce technicien sut par son savoir-faire réaliser les appareils imaginés et commandés par Foucault. Sorti de l école Polytechnique, il travailla également auprès de savants comme Arago, Pouillet, Fizeau, Lissajous. POUR EN SAVOIR PLUS Recueil des travaux scientifiques de Léon Foucault, publié par Madame veuve Foucault, Paris, Gauthier-Villars, Rédaction et schémas : Serge Picard Coordination : Élisabeth Drye Conception graphique : Agnès Pichois, Atelier Michel Bouvet, sur une idée de Olivier Delarozière Photos :, Service éducatif 292, rue Saint-Martin Paris Tél. : (1) ou ISBN : Acloque P., Oscillations selon Foucault, Paris, Ed. du CNRS, Deligeorges S., Foucault et ses pendules, Paris, Ed Carré, Hagen (le Père J.G.), La rotation de la Terre, ses preuves mécaniques anciennes et nouvelles, Rome, Foiret J., Jacomy B., Payen J., au,, Paris, 1990.

9 9 Fiche pédagogique Un pendule de Foucault à domicile Vous pouvez vérifier, chez vous, que la Terre tourne. Comme Foucault, dans sa cave rue d Assas, nous adopterons un pendule de 2 mètres de longueur. La sphère sera une lourde boule de pétanque que l on fixera à l une des extrémités du fil. Celui-ci sera en nylon, d une résistance suffisante. L autre extrémité du fil sera solidement fixée au plafond. On prendra la précaution de placer sur celui-ci un émerillon afin que la torsion du fil ne vienne pas perturber le mouvement du pendule (dans un magasin d article de pêche on trouvera les éléments appropriés). Le lancement du pendule est une opération délicate. Il convient de ne pas générer de mouvements parasites qui empêcheraient le pendule d osciller dans un plan unique. Procédez comme au Musée : attachez la sphère par un fil de coton à un support fixe (par exemple un meuble) après l avoir écartée suffisamment de la verticale. Lorsque celle-ci est immobile, brûlez le fil de coton. Dès les premières oscillations, repérez, avec précision, la direction du plan décrit par le pendule. Refaites cette même opération quelques dizaines de minutes plus tard. Vous constaterez que le plan d oscillation du pendule a subi une légère rotation (environ 6 pour 30 minutes). Et comme Galilée vous pourrez enfin dire : «Eppur si muove» (Et pourtant elle tourne). Bonne chance!

10 10 Fiche pédagogique Prix : 10 F