Comment fabriquer et se servir d'un pendule

Le pendule est un objet constitué d'une masse suspendue à un fil ou à une tige, qui oscille lorsqu'il est mis en mouvement. On le retrouve dans divers objets et appareils, comme les métronomes, les horloges ou les sismomètres. Le pendule est facile à fabriquer, il permet de réaliser de nombreuses expériences et d'aborder des problèmes physiques complexes.

Méthode 1

Méthode 1 sur 3:

Fabriquer un pendule et faire des expériences

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Le pendule est un poids suspendu au bout d'un fil. Il est facile à manipuler et à fabriquer, mais il est important d'en comprendre le principe avant de commencer à l'expérimenter. C'est tout simple : un poids relié à un point fixe par un fil pend dans le vide. Quand il est immobile, le poids tombe à la verticale, mais si on le fait bouger, il exécute un mouvement de balancier au bout du fil ^{[1]XSource de recherche}.
- Prenez entre vos doigts l'extrémité d'une chaine avec un pendentif ou le bout de la ficelle d'un yoyo. Poussez un petit peu le « poids » qui pend à l'autre bout et voilà, vous avez un pendule !
- Vous avez surement déjà observé l'impressionnant balancier d'une comtoise : c'est un exemple de pendule.
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Pour faire osciller le pendule, attrapez le poids, tirez-le et relâchez-le. Pourvu que la ficelle soit bien tendue, vous allez voir le poids se balancer d'avant en arrière. Chaque fois qu'il revient vers vous, le poids revient presque exactement au même niveau que là d'où vous l'avez lâché.
- Le pendule peut se balancer ainsi indéfiniment si rien ne vient le ralentir ou le faire changer de direction ^{[2]XSource de recherche}.
- Mais, en fait, son mouvement est imperceptiblement ralenti par des forces extérieures telles que la friction ou la résistance de l'air.
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Pour mieux comprendre, passez aux travaux pratiques et fabriquez un pendule. Il vous faut de la ficelle, une petite pile et un bâton ou une règle de couturier. L'apprentissage par la pratique est ce qu'il y a de plus efficace, surtout si vous êtes avec des enfants. Voici les instructions à suivre.
- Nouez une extrémité de la ficelle au milieu du bâton ou de la règle.
- Attachez la pile (ou n'importe quel autre objet d'un poids similaire) à l'autre extrémité de la ficelle.
- Prenez deux chaises identiques et placez-les dos à dos, avec un espace entre les deux. Posez le bâton perpendiculairement au sommet des deux dossiers de chaise de telle sorte que la ficelle et la pile tombent bien dans le vide entre les deux chaises sans les toucher.
- Prenez la pile et soulevez-la, mais en gardant la ficèle bien tendue, puis relâchez-la et regardez-la se balancer d'avant en arrière.
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Il y a un certain nombre de notions à connaitre pour étudier les pendules. Comme pour tout phénomène physique, il existe tout un vocabulaire indispensable à apprendre pour pouvoir décrire vos expériences avec votre pendule et pour comprendre les lois qui sont à l'œuvre ici.
- L'amplitude de l'oscillation : c'est le point le plus haut qu'atteint le pendule par rapport à son point de repos.
- La masse désigne la partie pesante au bout du pendule.
- La position d'équilibre est le point où repose la masse lorsqu'elle est immobile.
- La fréquence désigne le nombre d'oscillations réalisées par le pendule en un temps donné.
- La période est le temps que met un pendule à réaliser une oscillation (ou aller-retour)complète.
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Méthode 2

Méthode 2 sur 3:

Découvrir des notions de physique basiques grâce au pendule

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Rien de tel que les pendules pour découvrir la méthode scientifique ! La méthode scientifique est le fondement de toute recherche ou expérimentation dans le domaine des sciences depuis les Anciens. Les pendules sont un excellent moyen de réaliser des expériences scientifiques faciles et d'en observer les résultats sur-le-champ. Voici quelques expériences que vous allez pouvoir réaliser vous-même. Prenez la peine, pour chacune d'entre elles, de formuler des hypothèses, de définir quelle variable vous vous apprêtez à tester et de comparer vos résultats avec d'autres personnes, si c'est possible.
- Chaque expérience doit être recommencée cinq ou six fois pour obtenir des résultats valables.
- Tentez les expériences une par une, sinon vous ne pouvez pas clairement déterminer quelle variable a eu des conséquences sur l'oscillation du pendule.
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Pour observer les effets de la gravité, utilisez comme masse des objets de poids différents. Avec le pendule, il est possible d'aborder la notion de gravité très simplement et vous pourriez être surpris du résultat de cette expérience.
- Éloignez la masse de 10 cm de son point d'équilibre et lâchez-la.
- Mesurez la période à l'aide d'un chronomètre. Recommencez 5 à 10 fois.
- Recommencez l'expérience après avoir installé un objet plus lourd au bout de la ficelle.
- Vous devriez constater que la période et la fréquence sont exactement les mêmes ! La raison en est que la gravité affecte également toute masse. Une pièce de monnaie et une brique tombent exactement à la même vitesse !
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Travaillez sur l'amplitude en lâchant le pendule à différentes hauteurs. Plus vous lâchez le pendule de haut (c'est-à-dire de loin par rapport au point d'équilibre), plus vous augmentez l'amplitude de l'oscillation. Mais la vitesse du pendule est-elle affectée ? Pour le savoir, recommencez l'expérience précédente avec la même masse, mais en lâchant le pendule à 20 cm de son point d'équilibre.
- Vous devriez observer que la période est identique.
- Les variations d'amplitude n'ont pas d'incidence sur la fréquence. Cette règle est utile en trigonométrie, en acoustique et dans de nombreux autres domaines.
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Changez la longueur du fil. Recommencez toujours la même expérience, mais au lieu de changer la masse ou l'endroit où vous lâchez le pendule, raccourcissez ou rallongez franchement le fil.
- Cette fois-ci, vous devriez noter un changement clair et net. Il se trouve que la longueur de la ficelle est le seul facteur qui a une incidence sur la période et la fréquence d'un pendule.
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Vous pouvez aller plus loin et découvrir des notions plus complexes : l'inertie, le transfert énergétique et l'accélération. C'est un peu trop poussé pour les jeunes enfants, mais pour les plus âgés, il est facile de découvrir la relation entre accélération, friction et trigonométrie avec les pendules ^{[3]XSource de recherche}. Les oscillations du pendule permettent d'étudier des applications théoriques complexes, ainsi que des équations que vous pouvez explorer vous-même par le biais de l'expérimentation. Voici quelques exemples de problèmes à résoudre.
- Quelle est la vitesse de déplacement de la masse au niveau du point d'équilibre ? Comment peut-on calculer la vitesse de la masse à n'importe quel point de son plan d'oscillation ?
- Quelle est l'énergie cinétique de la masse ? Pour la calculer, il existe une formule : E_c (énergie cinétique) = 1/2 m v², où m = la masse et v = la vitesse.
- Pouvez-vous calculer la période du pendule en fonction de la longueur du fil et comment ?
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Méthode 3

Méthode 3 sur 3:

Découvrir quelques utilisations concrètes du pendule

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Le pendule est utilisé en horlogerie. Nous avons vu que la période n'est pas affectée par la masse ou par l'amplitude, mais par la longueur du fil. C'est d'ailleurs pour cela que les vieilles pendules et horloges contiennent un pendule. Il faut régler la longueur du fil de telle façon que sa période (un aller-retour complet) soit d'exactement deux secondes. En comptant les périodes, on peut savoir combien de temps s'est écoulé ^{[4]XSource de recherche}.
- Le pendule d'une horloge est relié à un ensemble de rouages qui font avancer la grande aiguille à chaque période.
- Les comtoises sont ces grandes pendules avec un balancier de près d'un mètre de long, ses oscillations sont à l'origine du bruit de tictac très audible.
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Le pendule peut servir à mesurer les vibrations du sol, comme les tremblements de terre. Les sismographes, qui sont les machines dont on se sert pour mesurer l'intensité des tremblements de terre, sont en fait des pendules complexes qui sont mis en mouvement par les vibrations de la croute terrestre. Il vous est évidemment impossible de construire un sismographe calibré pour ne détecter que les vibrations des plaques tectoniques, mais vous pouvez en revanche bricoler un sismographe sommaire avec un simple pendule, un stylo et du papier.
- Fixez le stylo ou le crayon de papier à la masse du pendule avec du ruban adhésif.
- Placez une feuille blanche sous le pendule. La pointe du crayon ou du stylo doit toucher le papier pour pouvoir laisser une trace dessus.
- Faites bouger le pendule sans toucher à la ficelle. Plus vous le ferez bouger, plus vous obtiendrez de grandes traces sur le papier. C'est le même principe que pour les « tremblements de terre ».
- Les vrais sismographes impriment leurs traces sur du papier déroulant, ce qui permet de visualiser les changements d'intensité des vibrations au fil du temps.
- Les premiers sismographes sont apparus en Chine vers 132 av. J.-C. ^{[5]XSource de recherche}
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Le pendule de Foucault permet de prouver que la Terre tourne sur elle-même. Avant l'invention de ce pendule, on savait que la Terre tournait sur elle-même, mais il n'en existait pas vraiment de preuve concrète. Il s'agit d'un pendule immense de près de cinq mètres de long, équipé d'une masse d'environ 11 kg, ce qui permet de minimiser l'impact de forces externes telles que le vent ou la friction ^{[6]XSource de recherche}.
- Il faut donner un peu d'élan au pendule pour lui permettre de bouger pendant un long laps de temps.
- À mesure que le temps passe, vous allez vous rendre compte que la direction des oscillations varie.
- C'est parce que le pendule reste droit alors que la Terre tourne.
- Dans l'hémisphère nord, la variation de l'oscillation se fait dans le sens des aiguilles d'une montre, tandis que dans l'hémisphère sud elle se fait dans l'autre sens.
- Bien que ce soit assez compliqué, vous pouvez vous servir du pendule de Foucault pour calculer la latitude à laquelle vous vous trouvez. Il faut pour cela connaitre la trigonométrie ^{[7]XSource de recherche}.
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Conseils

Pour chronométrer précisément le mouvement d'un pendule pendant une expérience, mieux vaut être à deux : une personne qui tient le chronomètre et une autre qui manipule le pendule.
Si vous trouvez difficile d'actionner le pendule de façon précise, voici une petite astuce. Utilisez une deuxième ficelle pour soulever la masse plutôt que de la prendre à la main. Lorsque la masse est à la hauteur désirée, brulez la ficelle pour relâcher la masse. De cette manière, vous ne risquez pas de la faire dévier ou de la pousser sans le vouloir avec votre main lorsque vous la lâchez.
Les pendules sont également utilisés dans les arts divinatoires.