Comment fabriquer et se servir d'un pendule

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.

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 !

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.

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.

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] . 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 ?

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] .

• 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.

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]