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Quelques expériences avec d’une feuille de papier

mercredi 22 janvier 2020 à 06:39

Deux pliages d’origami.
Une banale feuille de papier réserve parfois quelques surprises.
J’ai déjà parlé du format A4, qui est rempli de mathématiques, parlons maintenant de la feuille elle-même.

Il est impossible de plier une page A4 plus de 7 fois

Je vous vois déjà sortir une feuille de papier pour essayer, mais c’est bien : essayez !

Après 2 ou 3 plis, j’imagine que vous comprenez que vous n’arrivez pas à aller bien loin. Eh bien la limite est effectivement 7 pour une feuille A4 ordinaire de 80 g/m².

Pourquoi ça fait ça ?

Lorsque l’on plie une feuille en deux, on réduit sa surface de moitié d’une part et on double son épaisseur d’autre part.
Si on plie 3 fois de suite, on divise la surface par 8 (=2×2×2) et on multiplie l’épaisseur par 8 également. Pour le pli d’après, c’est donc comme si on devait plier huit épaisseurs d’un coup.

Maintenant, quand on arrive à 7 plis, on obtient 2⁷ épaisseurs, soit 128 pages… le tout sur une surface de quelques centimètres carrés seulement. On est à la limite car l’épaisseur du papier s’approche dangereusement de la taille du pliage, et quand on en est là, plier devient impossible mécaniquement.

On peut pousser le raisonnement. Hypothétiquement, si l’on pouvait plier une page 67 fois de suite, on aurait 1,46 × 10²⁰ épaisseurs. Pour une feuille ordinaire d’une épaisseur de 0,12 mm, tous ces plis additionnés équivalent à 1,7 × 10¹⁶ mètres. Cette distance correspond à 2 années-lumière environ.
La surface du pliage, lui, ferait quelques atomes de large seulement.

En dehors de ce cas extrême, mentionné seulement à titre d’information, il est possible de plier une page 11 fois. Les Myhtbusters y sont arrivés : mais ils ont pris une feuille de la taille d’un terrain de foot et un rouleau compresseur pour plier le papier. On est donc bien loin de la page A4, sans pour autant vraiment aller au-dessus des 7 pliages…

Dans tous cas, souvenez-vous des puissances de deux : à chaque fois que vous avez un problème qui implique des puissances, comme ici, vous perdrez toujours. On n’appelle pas les puissances « puissances » pour rien.

Trancher du bois avec du papier

On s’est tous déjà coupé le doigt avec une feuille, et ça fait plutôt mal.
Le papier est pourtant juste du papier : on peut le déchirer facilement, le brûler, bref, ce n’est pas un matériau particulièrement résistant. On peut le déchirer car il est fait de petites fibres, mais quand on fait tourner un rond de papier, par exemple au bout d’un petit moteur, alors la tranche du papier tourne super vite tout en étant lié très solidement aux autres fibres.

On peut alors trancher du plastique ou même du bois avec une feuille de papier, comme sur cette vidéo.

Comme souvent dans tous les tissus fibreux, c’est la nature et le nombre des fibres qui donnent la résistance au matériau. Si dans un matériau monolithique, comme le verre ou le métal, ce sont les liaisons atomiques qui donnent la résistance à la matière, dans les matériaux fibreux, les brins de fibres uniques ne sont pas spécialement résistants, mais leur nombre et leur entrelacement permet de donner beaucoup de force au matériau. C’est ce qui donne sa très grande résistance au bois, à la fibre de carbone, de verre, au kevlar…

Résister au feu

Question : est-il possible de maintenir une feuille de papier au-dessous d’une flamme au gaz sans que la feuille ne brûle ?
Réponse : oui.

Le feu est une réaction chimique auto entretenue grâce à la chaleur émise. La première flamme brûle et chauffe l’air et le carburant qui s’enflamme alors, et ainsi de suite : la flamme perdure.
Pour éteindre le feu, on peut agit sur le carburant : si on le retire, il n’y a plus rien à brûler ; l’air : sans air, pas d’oxygène (le comburant) et le feu s’arrête, ou sur la source de chaleur !
Si on retire la source de chaleur, le feu s’éteint. Ajouter de l’eau à un feu a cet effet-là : l’eau absorbe toute la chaleur et le carburant n’est plus vaporisé et ne brûle plus.

Maintenant retour à notre papier : Si on prend une feuille de papier et qu’on l’imprègne d’eau, il ne brûlera pas : l’eau absorbera la chaleur pour sécher mais la feuille restera intacte.

Encore mieux : si vous avez un sac en papier ou créez un pliage en forme de récipient que vous remplissez avec un fond d’eau, vous pourrez le tenir au-dessus du feu sans problème : l’eau montera en température jusqu’à 100 °C, après quoi il commencera à bouillir sans monter davantage en température. Or, 100 °C c’est bien inférieur au point d’ignition du papier.

Le papier et l’huile

Le papier devient transparent au contact de l’huile.

Le papier est constitué de cellulose principalement. La cellulose est transparente, mais l’air emprisonnée entre les fibres empêche la lumière de traverser la cellulose en ligne droite et renvoie la lumière dans tous les sens. C’est le même phénomène qui rend la neige blanche alors que l’eau est transparente (et qui fait que les glaçons ne sont jamais totalement transparents non plus).

Quand on met de l’huile sur la feuille, non seulement l’huile va chasser l’air, mais il va redonner une structure uniforme (optiquement parlant) au papier : la lumière pourra donc traverser le papier tranquillement avec une faible diffusion (la papier huileux est davantage translucide que transparent). L’huile arrive à s’infiltrer entre les fibres du papier et à « conduire » la lumière entre les fibres jusqu’à l’autre côté. L’eau n’a pas exactement le même effet, car les molécules d’eau sont plus petites et continuent tout de même à disperser la lumière de façon suffisante pour ne pas rendre le papier totalement transparent.

La même transparence s’obtient quand on plonge du papier dans de l’acide sulfurique concentré (n’essayez pas ça chez vous). L’acide va briser les longues molécules en protéines plus petites qui sont alors transparents et gélatineuses. Il suffit alors de laisser sécher et l’ensemble est translucide. Le papier obtenu est du papier calque : il est par ailleurs nettement plus lisse et résistant que le papier blanc normal.

Le papier flash

À la place de l’acide sulfurique, on peut aussi tremper le papier dans de l’acide nitrique. Si l’on utilise un papier de très bonne facture (idéalement ça se fait avec de la fibre de cellulose pure, comme du coton ou de la ouate), alors l’acide nitrique va transformer la cellulose en nitrocellulose.

La nitrocellulose est, comme la poudre à canon, capable de brûler sans oxygène. En effet, l’oxygène est déjà contenu dans la molécule. Il suffit d’une petite étincelle pour que tous les atomes de la molécule se réarrangent en gaz de combustion.

Le truc étonnant à propos de la nitrocellulose, c’est qu’il ne laisse aucun résidu quand il brûle : pas de cendres ni de suie. La combustion est rapide, complète et très bien équilibrée.

Résultat : le papier trempé dans l’acide nitrique et séché que l’on brûle disparaît entièrement. On appelle ça du papier flash : il disparaît sans laisser de trace. Cette astuce est généralement utilisée dans les spectacles de magie.

Quelques astuces en vrac

Envie de faire du papier style « parchemin » ? Faites infuser du thé noir bien fort, que vous versez sur une plaque ou un grand plat. Immergez alors votre feuille préalablement froissée à plat dedans et laissez prendre une heure. Pour sécher, placez la feuille au four à environ 100 degrés. Marche aussi avec du café.

Envie de faire faire des acrobaties à votre avion en papier ? On peut contrôler la direction de vol en jouant sur le bout arrière des ailes : il suffit de plier vers le haut pour faire monter l’avion ou vers le bas pour le faire descendre. Même chose en pliant vers la gauche ou la droite la partie que l’on tient.

Le papier est obtenu par raffinage de fibres de cellulose des arbres. Le parchemin est de la peau d’un animal séché et tanné. Le papyrus est obtenue par tressage, collage puis séchage de bandes découpées dans les branches du papyrus — la plante.

image d’en-tête de Carolina Garcia Tavizon

D’où vient le format A4 ?

jeudi 16 janvier 2020 à 07:12

Une feuille de papier froissée.
La feuille de papier A4 est quelque chose de banal. On en voit tous les jours à tel point que ce format semble naturel et personne ne viendrait questionner son origine. Et c’est une erreur !
Le format A4 ne sort pas de nulle part : ses dimensions sont très précises et répondent à un but précis.

29,7 ÷ 21 = 1,414

Si vous êtes comme moi, peut-être avez-vous déjà, par curiosité, calculé le rapport $\frac{29,7}{21}$. Le résultat n’est pas le nombre d’or, mais plutôt quelque chose comme $1,414$.
À partir de ça, soit vous voyez tout de suite à quoi ça correspond, soit pas du tout : 1,414, c’est la valeur approchée de racine carrée de 2 : $\sqrt{2}$.

La racine carrée d’un nombre, c’est la valeur qui multipliée par elle-même donne ce nombre. Inversement, prendre un nombre et le diviser par sa racine carrée donne de nouveau la racine carrée en résultat.

Quand on plie une feuille en deux, le grand côté est réduit de moitié (dans l’équation ci-dessus, le « 2 » devient « 1 »), et le petit côté devient le grand côté (la racine de 2 passe du dénominateur au numérateur).

$$\frac{2}{\sqrt{2}}=\frac{\sqrt{2}}{1}$$

Le rapport avec le format de papier ?

Et bien quand on plie une feuille dont le rapport des longueurs des côtés est $\sqrt{2}$ en deux, alors le rapport des côtés des longueurs de la feuille pliée en deux est de nouveau $\sqrt{2}$, et ainsi de suite.
Contrairement à une feuille carrée, ou une feuille dont le rapport est le nombre d’or par exemple, le rapport des côtés d’une feuille A4, A5, A6… est toujours le même : $\sqrt{2}$ !

C’est très pratique !

Cela permet par exemple de faire tenir deux pages A4 dans une page A3, ou encore deux pages A5 dans une page A4. Quand on fait des réductions ou des agrandissements d’images, ça permet de conserver les proportions sur toute la page, sans zone blanche.

Un format dont le facteur de forme est $\sqrt{2}$ est le seul à avoir cette particularité. Avec un tel format, on peut plier la page autant de fois que l’on souhaite, le format ne changera pas :

Les dimensions du format A.
Les dimensions du format A (source)

Cette propriété aurait déjà été connue de Léonard de Vinci.

Mais pourquoi 21×29,7 ?

On comprend l’intérêt mathématique d’un ratio de $\sqrt{2}$ , mais ça n’explique pas pourquoi on a pris 21 et 29,7 cm pour une feuille. On aurait pu prendre 24 et 33,9, le rapport serait toujours 1,414. En fait, le format A4 est la moitié du format A3. Qui est lui-même une moitié de page A2. Le A2 est la moitié du format A1, et ce dernier est un demi A0. Le vrai format de base, c’est A0.

Les dimensions d’une page A0 sont 84,1 × 118,9 cm. Si vous calculez l’aire d’une telle page vous obtiendrez… 1 m² !

Le format « A » est basé sur ça : on a pris une page dont l’aire fait exactement 1 m² et dont les proportions sont $\sqrt{2}$. On a ensuite plié en deux jusqu’à obtenir une taille pratique au quotidien : c’est le format A4.

L’usage d’une base « A0 » qui fait exactement 1 m² provient, elle, de la révolution française, en même temps que le système métrique : c’est le mathématicien, physicien et homme politique Lazare Carnot qui a proposé, en 1786, l’usage d’un format pratique et d’une dimension qui permette de facilement calculer la surface de papier utilisée… et donc sa taxation !

L’idée, née de la révolution Française, fit son chemin jusqu’en Allemagne, où l’organisme de standardisation allemand (le DIN) proposa de l’utiliser comme format standard dès 1922. Un très grand nombre de pays suivirent rapidement cette idée.
L’ISO adopta ensuite ce format dans l’ISO 216 et en 1975, l’ONU l’adopta à son tour.

Aujourd’hui, l’exception des pays de l’Amérique du nord et de quelques autres pays, il est utilisé dans pratiquement tous les pays du monde.

B4 et C4 ?

En plus du format A4, il existe aussi le format « B » et « C ». Ces derniers ont également le même facteur de forme de $\sqrt{2}$, mais ils sont juste un brin plus grand. Le format B est obtenue en prenant une feuille B0 dont le petit côté fait 1 mètre et donc le grand côté 1,414 mètre.

Le format C est lui exactement entre les deux.

De même, le format est B4 et C4 sont obtenus en pliant les feuilles B0 et C0 en deux quatre fois de suite.

Conséquences pratiques

On a vu au dessus que ces formats ont la particularité d’avoir des proportions maintenues si l’on plie la page en deux. Mais ce n’est pas tout.

Si l’on prend le grammage du papier le plus courant, 80 g / m², alors ça veut dire qu’une page A0 pèse exactement 80 grammes.

Si l’on descend jusqu’au format A4, on trouve que la feuille A4 pèse exactement 5 grammes. À la poste, on peut donc envoyer 3 pages avec le tarif de base dans une petite enveloppe (il ne faut pas oublier le poids de l’enveloppe). C’est pratique et c’est facile à se rappeler.

De même, si vous avez besoin de savoir, une ramette de papier 80 g/m² pèse 2 500 grammes.

Références


(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant en 2011. J’ai décidé de mettre à jour et de le déplacer ici)

PS : Par un simple hasard, cet article sort peu après la vidéo de Lanterne Cosmique sur le même sujet : Pourquoi les feuilles font-elles 210 × 297 mm ?. Évidemment, comme il n’y a pas 36 façons d’expliquer une même chose, le plan de l’article ressemble également au plan de sa vidéo.
L’article avait déjà été rédigée (comme j’ai dit, c’est une réécriture d’un ancien article sur mon autre blog), donc j’ai choisi de le publier quand-même à la date prévue. La semaine prochaine vous aurez un autre article sur le papier :).

image d’en-tête de FullPixel Photography

Pourquoi l'hélium modifie la voix ?

mardi 7 janvier 2020 à 18:30

des ballons avec de l’hélium
On a tous plus ou moins déjà entendu quelqu’un respirer de l’hélium pour avoir une voix aiguë, façon Donald Duck et s’en amuser. Mais savez-vous pourquoi l’hélium a cet effet-là ? Et savez-vous qu’il est aussi possible d’avoir une voix plus grave avec d’autres gaz ?

Une question de densité de gaz

L’hélium est un gaz sept fois moins dense que l’air : c’est pour cela qu’un ballon d’hélium flotte dans l’air (par poussée d’Archimède). Une autre des conséquences de cette densité beaucoup plus faible, c’est la vitesse de propagation du son dans ce gaz.
Le son se propage lorsque des molécules en vibration transmettent leur vibration aux molécules voisines, qui vont à leur tour transmettre la vibration. De proche en proche, la vibration — l’onde sonore — se propage.

Dans un médium gazeux, la vitesse de cette propagation est directement reliée à la masse des molécules composant ce gaz : en effet, une molécule légère sera plus rapidement mise en vibration qu’une molécule plus lourde. C’est une simple question d’inertie. Ainsi, dans l’air, le son se propage à la vitesse de $340\text{ m/s}$. Dans l’hélium le même son se propage à $978\text{ m/s}$, soit environ trois fois plus vite.

Cela dit, le changement de vitesse du son n’explique pas seul pourquoi le son est plus aigu dans l’hélium que dans l’air. Et pour cause : il ne l’est pas réellement.

L’hélium ne modifie pas la fréquence du son !

La voix est modifiée, oui, c’est évident. Mais ce n’est pas la fréquence du son émis qui est modifiée. Pour le vérifier, on peut utiliser un son pur, comme celui d’un diapason ou d’un synthétiseur. Et là, vous verrez, ou plutôt vous entendrez : le son d’un diapason n’est (pratiquement) pas altéré quand on le place dans l’hélium.

La raison à ça est plutôt simple : le diapason vibre émet un son relativement pur et à sa fréquence propre, indépendamment du gaz dans lequel il est plongé. Il émet (globalement) qu’une seule fréquence à 440 Hz, un La. Si le diapason vibre à 440 Hz, alors il vibrera toujours à cette fréquence, peu importe si c’est dans l’hélium ou non.

C’est la même raison pour laquelle un rayon de lumière rouge ne devient pas bleu une fois dans l’eau, quand bien même la lumière traverse l’eau à une vitesse 30 % plus lente qu’elle traverse l’air. Ce qui est modifié lors du changement de médium, c’est la longueur d’onde, or, cette grandeur est liée au milieu de propagation : elle ne caractérise pas l’onde elle-même.
Une même onde peut donc avoir une longueur d’onde différente si elle change de milieu. Mais la fréquence — la fréquence temporelle — reste constante quoi qu’il se passe, et avec elle l’énergie véhiculée par l’onde.

Alors d’où vient le changement de voix ?

Réponse : le timbre !

Lorsque l’on respire de l’hélium, quelque chose est manifestement altérée. Si ce n’est la fréquence, qu’est-ce ?

La voix est un son très complexe : loin d’être un son pur composé d’une seule fréquence, elle est au contraire composée de plein d’harmoniques. Ce sont les amplitudes de chaque harmonique qui donnent une signature acoustique à chaque son.

De façon simple, ce sont les harmoniques qui différencient le La d’un piano du La d’une flûte, ou encore du La d’une guitare. Tous les La sont à 440 Hz (par définition), mais chaque instrument envoie des harmoniques qui lui sont propres. C’est ça qui permet de différentier les instruments les uns des autres :

Les spectrogrammes pour plusieurs instruments.
Spectrogrammes pour un La émis par trois instruments : le diapason, le violon et la flûte. Le diapason a le son le plus pur et le moins d’harmoniques.

Au niveau moléculaire, à cause de toutes les harmoniques émises, les molécules vibrent à plusieurs rythmes à la fois.
Les molécules restent néanmoins des objets avec une fréquence de vibration propre : une fréquence à laquelle la vibration est naturelle et à laquelle la propagation de l’énergie sonore est la plus efficace.

Pour le dire simplement : l’hélium transmet mieux certaines fréquences et l’air mieux d’autres fréquences. Chaque gaz possède une gamme de fréquence pour laquelle la transmission sonore est la plus efficace : ces fréquences là sont comme amplifiées, alors que les autres sont étouffées.

Or, et peut-être l’avez-vous deviné : dans l’hélium, ce sont les sons aigus (de haute fréquence) qui sont amplifiés, alors que dans l’air, ce sont plutôt les sons de fréquence moyenne qui le sont.

Ce n’est donc pas la fréquence des sons qui change, mais les amplitudes de chaque fréquence composant un son !

D’un point de vue physique, l’hélium et l’air agissent comme des filtres : ils amplifient certaines fréquences et en bloquent d’autres. Changer de gaz revient donc à changer de filtre et à modifier l’amplitude de chaque harmonique, et donc la sonorité globale, avec pour règle générale que plus le gaz est léger, plus sa vibration naturelle est rapide et plus la bande de sons amplifiés est décalée vers les aigus, et plus le gaz est dense, plus la bande amplifiée est décalée vers les sons graves.

Pour conclure

Une même source sonore émet toujours la même fréquence. Ceci est vrai que cette source se trouve plongée dans l’air, l’hélium ou tout autre gaz. La source d’un son définit sa fréquence (ou ses fréquences, s’il y a des harmoniques). Dans le cas où un grand nombre de fréquences sont émises en même temps, et on parle alors du timbre sonore plutôt que sa fréquence (qui n’est plus unique) pour définir un son.

Ensuite il faut comprendre que la fréquence seule des sons ne définit pas un son : il faut également prendre en compte l’amplitude de chaque fréquence émise. L’amplitude pour chaque fréquence dépend bien-sûr de la source, mais également du médium, qui peut les modifier ! En jouant sur l’amplitude de chaque fréquence, on modifie le timbre sonore plutôt que sa fréquence.

Dans l’hélium, les sons amplifiés sont plus aigus que ceux amplifiés par l’air. Quand on parle après avoir respiré de l’hélium, donc, on amplifie tous les sons aigus et on a l’impression que l’on est effectivement plus aigu. Mais en réalité, les fréquences émises sont les mêmes, c’est juste l’amplitude de chaque fréquence qui change.

Enfin, comme j’ai dit et ça semble maintenant logique : si l’hélium qui est très léger amplifie les sons aigus, un gaz plus lourd amplifie les sons graves. Un gaz de choix est alors l’hexafluorure de soufre (SF6) qui est un gaz environ six fois plus dense que l’air. La voix obtenue en respirant ce gaz est alors monstrueuse.

Il faut par contre faire attention : quand on respire un gaz qui n’est pas de l’air, on prive nos poumons d’oxygène et ça peut être dangereux. Il ne faut donc jamais en abuser et ne pas respirer du gaz plusieurs fois de suite.
De plus, si l’hélium est plus léger que l’air et qu’il remonte naturellement hors des poumons, un gaz plus lourd, en revanche, aura tendance à s’accumuler au fond des poumons, ce qui peut réellement présenter un danger d’asphyxie.

(Cet article a initialement été publié en décembre 2016. Je l’ai mis hors ligne quelque temps après quand il m’a été montré que l’explication donnée n’était pas correcte. J’ai décidé de le corriger, le mettre à jour et de le republier.)

Photo d’en-tête de Jeffrey Beall

Comment fonctionne le mode furtif des avions ?

jeudi 12 décembre 2019 à 06:48

Un F-35, un avion furtif.
Certains avions, certains sous-marins, sont dits furtifs : ils passent inaperçus sur les radars ennemis. Tous les objets ne peuvent pas forcément devenir furtifs, aussi n’espérez pas ajouter un mode furtif à votre voiture pour échapper aux radars de police, ce n’est pas la même chose.

Pour comprendre le mode furtif d’un avion, commençons par étudier le fonctionnement d’un radar, car c’est de lui qu’un appareil furtif a pour objectif de se cacher.

Les radars

Un radar, au sens aéronautique, c’est un dispositif qui permet de détecter ce qui se trouve dans son champ de détection au moyen d’ondes radio. Le terme « Radar » provient de l’acronyme pour RAdio Detection And Ranging, soit « détection et estimation de la distance par ondes radio ».
Comme un appareil photo avec un flash permet de capter la lumière réfléchie sur les objets, un radar utilise une onde radio avec le même principe.

Le radar va d’abord émettre une onde électromagnétique en direction du ciel (dans le cas où l’on souhaite détecter les avions). Cette onde va se propager, heurter un avion et être réfléchie par l’avion. Si une partie de cette réflexion — appelée l’écho radar — passe par l’antenne du radar, alors ce dernier détecte l’avion et peut afficher l’information sur un écran :

Principe de fonctionnement d’un radar.
Tous les avions n’ont pas la même taille, aussi chaque gabarit d’avion renvoi donc une signature ondulatoire qui lui est spécifique. Avec un radar, on peut donc savoir si l’on a affaire à un avion de ligne, un petit planeur ou un avion de chasse. En analysant le temps mis par la réflexion de l’onde pour revenir vers le radar, on peut savoir à quelle distance se trouve l’avion. En répétant l’opération, on peut connaître sa direction et sa vitesse.

Le mode furtif

Si l’on ne veut pas que le radar nous détecte, il ne faut pas lui renvoyer la réflexion de l’onde qu’elle vous envoie. Pour ça, il y a plusieurs solutions :

Concernant le fait d’être transparent : généralement, les ondes (quelconques) sont réfléchies par des objets dont la taille approche la longueur d’onde de l’onde émise. Pour détecter quelque chose de grand, une grande longueur d’onde suffit. Pour détecter un oiseau ou même la pluie, il faut plutôt des ondes de courte longueur d’onde.

Tous les objets, de quelque matériau que ce soit peuvent réfléchir des ondes électromagnétiques, et peuvent donc devenir visibles sur certains radars. Inutile de dire qu’il devient difficile de créer un avion invisible à toutes les ondes dans ces conditions : il suffit pour l’ennemi d’utiliser une onde adaptée à la taille des avions pour être sûr d’avoir un écho-radar.

Il reste donc les trois autres solutions : dévier l’onde, l’absorber, ou l’annuler avec une autre onde. Plusieurs de ces méthodes sont généralement utilisés en même temps.

Déjà, les avions furtifs ont tous une géométrie très particulière. Cette géométrie est là précisément pour réfléchir l’onde ailleurs que d’où elle vient. Dans certains cas, l’onde du radar est aussi piégée dans les rebords anguleux de l’avion et la carlingue finit par en dissiper l’énergie totalement :

Principe d’un type de mode furtif
Ensuite, les avions furtifs sont recouverts d’un revêtement (généralement directement dans la peinture) qui absorbe l’onde radio. Ce revêtement est conçu pour absorber une large gamme de fréquence, rendant l’avion furtif pour un grand nombre de radars différents.

Ce revêtement peut alors absorber l’onde de façon chimique ou physique.
Dans le premier cas, l’onde est transformée en chaleur parce qu’elle réagit avec les inclusions métalliques dans la peinture. Les métaux, et principalement les métaux avec une forte permittivité électrique ou perméabilité magnétique (le permalloy ou le mu-métal par exemple) absorbent très bien les ondes électromagnétiques.

Dans le second cas, l’onde est annulée par un effet d’interférence de couche mince due à l’épaisseur du revêtement. Dans ce dernier cas, l’onde reçue est pour 50% réfléchie par le revêtement et pour 50% réfléchie par la carlingue en dessous, idéalement avec une demi-longueur d’onde de déphasage : les deux ondes réfléchie s’annulent donc. L’inconvénient c’est que ceci ne fonctionne bien que pour une seule longueur d’onde précise.

En plus de ces méthodes passives, il existe aussi des brouilleurs d’onde actifs. Il s’agit alors pour l’avion d’émettre ses propres ondes, soit pour brouiller les pistes, soit pour annuler les ondes qu’il reçoit, en émettant des ondes déphasées de 180°, qui vont alors annuler l’onde du radar (un peu à la manière d’un casque anti-bruit).
Ici, l’avion dispose d’un capteur qui détermine la nature d’un signal radar incident puis produit un signal qui va l’annuler.

Enfin, certains avions peuvent libérer des leurres anti-radar, un peu comme des leurres thermiques mais pour les radars et les missiles guidés par signal radar. Les radars détectent alors des milliers de signatures différentes et ne sait plus lequel est le vrai avion.

Pour conclure sur le mode furtif

Il faut bien noter qu’il est matériellement impossible d’être complètement transparent à toutes les ondes radar, principalement parce qu’il n’existe pas de matériau qui absorbe ou réfléchie tout le domaine spectral électromagnétique.

Ensuite, une partie de l’onde sera toujours absorbée par l’avion, ce qui signifie que l’onde est transformée en chaleur et que l’avion s’échauffe un petit peu. Ce que l’avion gagne en invisibilité sur les radars, il le perd en signature thermique et sur les caméras thermiques qui équipent également les dispositifs de défense ennemi.

L’idée d’un mode furtif est plutôt de retarder la réponse de l’ennemi. Si un avion arrive à passer pour un oiseau ou un nuage sur l’écran radar, il ne lèvera pas d’alerte : le résultat sera positif pour l’avion, même si c’est seulement pour quelques minutes avant d’être découvert.

Pour les sous-marins, c’est la même chose, c’est juste qu’on est dans l’eau. À noter que dans l’eau, il faut tenir compte aussi du bruit : en plus des radars, sont utilisés des sonars. Le principe est le même, c’est juste qu’on utilise des ondes mécaniques telles que le son, et plus des ondes radio (qui passent très mal dans l’eau).

image d’en-tête du Ministère de la Défense norvégienne

Comment fonctionnent les détecteurs de mouvement ou de présence ?

mercredi 4 décembre 2019 à 18:51

Un composant détecteur de mouvements.
Vous avez tous déjà vu des détecteurs de mouvement, généralement dans les bâtiments publics, à l’école ou au travail : ce sont eux qui permettent d’allumer automatiquement la lumière quand quelqu’un entre dans une pièce. Leur fonctionnement est simple, mais fait appel à des technologies assez particulières. Selon l’usage, il en existe également plusieurs sortes.

Pour commencer, voyons ce qu’il en est des capteurs les plus courants, ceux avec une boule blanche à facette (comme sur l’image d’en-tête).

Le PIR

Le détecteur infrarouge passif, de l’anglais Passive InfraRed sensor, ou détecteur PIR est le plus courant des détecteurs de présence. Sous le dôme en plastique translucide se cache un module pyroélectrique de la taille d’une LED.

Ces modules pyroélectriques produisent du courant électrique quand ils sont exposés à du rayonnement infrarouge. Ce sont un peu des minis-panneaux solaires à infrarouge, même si leur fonctionnement est physiquement plus proche d’un module piézoélectrique, se basant sur la variations de la polarisation d'un matériau en fonction de la température (obtenue par exposition aux infrarouges.

La source d’infrarouge qui active le détecteur peut-être un humain ou un animal : en effet, bien que ne semblant pas luire dans le noir, les humains et les animaux émettent un rayonnement thermique infrarouge.

Le détecteur de présence dans son ensemble analyse le courant produit par le module pyroélectrique. S’il détecte une variation brutale, c’est qu’une source d’infrarouges est apparue, a disparu, ou s’est déplacée. Le détecteur actionne alors un interrupteur, ce qui allume la lumière ou déclenche une alarme.

Notez que le détecteur s’active quand l’infrarouge auquel est soumis le module pyroélectrique varie. Si vous restez parfaitement immobile devant le capteur, il ne vous verra plus.

Voilà donc pour le fonctionnement des modules « passifs ».

Il en existe également des actifs : ces derniers, en plus d’un capteur pyroélectrique, ont une LED infrarouge qui arrose toute la pièce d’infrarouge. Ces derniers ont l’avantage de fonctionner même si un objet n’émettant pas d’infrarouge passe devant le capteur. En effet, les capteurs passifs détectent les infrarouges émis par les humains ou les animaux. Si vous n’en émettez pas, alors il ne vous détectera pas. Avec une LED qui arrose l’intrus avec des infrarouges, les infrarouges réfléchis/absorbés feront varier le signal ce qui actionnera l’alarme.

Les détecteurs capacitifs et inductifs

En plus des capteurs à base d’infrarouges, il en existe d’autres types au fonctionnement différent.

Le détecteur capacitif fonctionne comme un écran tactile. Ce dernier détecte le faible surplus d’électrons du bout de vos doigts, qui sont toujours légèrement chargés d’électricité statique. Il se crée un mini-condensateur entre votre main et l’écran, d’où l’appellation « écran tactile capacitif ».

Un détecteur utilisant cette technologie permet de détecter tous les objets se déplaçant dans son rayon d’action, simplement en détectant la charge d’électricité statique véhiculée par cet objet.

Quant aux détecteurs inductifs, ils fonctionnent de façon active : ils émettent un rayonnement électromagnétique haute fréquence autour d’eux. Lorsqu’un élément métallique, par exemple une voiture, passe sous le détecteur, la carcasse en acier de la voiture réagit au champ électromagnétique et émet son propre champ. C’est alors ce dernier champ qui est détecté. Ce système-là ne fonctionne que pour les éléments métalliques.

Cette technologie est aussi utilisée dans les détecteurs de métaux des aéroports et certains systèmes antivol au supermarché.
Les détecteurs inductifs sont présents au niveau de certains feux tricolores sur la route : tous les feux ne sont pas réguliers et certains passent au vert seulement si une voiture se présente. Même chose pour les routes dont l’éclairage s’allume uniquement s’il y a de la circulation : la détection de la voiture se fait par induction.

Ajoutons qu’il serait même possible, avec un tel détecteur, de calculer la vitesse de déplacement d’un véhicule. C’est peut-être la technologie utilisée par les feux de vitesse, qui passent au rouge si on roule trop vite et au vert si on ralentit (même sans s’arrêter), mais pour une mesure précise de la vitesse, cependant, un radar laser ou Doppler sera préféré (car ne dépendant pas du gabarit du véhicule).

image d’en-tête de Patrick Lauke

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