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KLEIN Geoffrey 1°SA CAMPOURCY Yoan 1°SA DEBERT Awen 1°ESA Travaux Personnels En

KLEIN Geoffrey 1°SA CAMPOURCY Yoan 1°SA DEBERT Awen 1°ESA Travaux Personnels Encadrés (Physique / Mathématiques) Thème : Matière et Forme Problématique : En quoi la CYMATIQUE permet-elle la visualisation du son ? Lycée Jay de Beaufort 9 rue de Turenne 24000 PERIGUEUX Session 2015 2 Sommaire Pages Introduction : ------------------------------------------------------------------------------------- 3 Partie 1 : Qu’est-ce que la Cymatique ? 1.1 Une science peu connue ----------------------------------------------------- 4 1.2 Historique de la Cymatique 1.2 A Genèse du procédé -------------------------------------------------------------------------- 4 1.2 B L’avènement d’une nouvelle science ------------------------------------------------- 8 - 10 Partie 2 : Démonstration du phénomène Cymatique 2.1 Partie expérimentale : « les Figures acoustiques de Chladni » --- 11 - 18 2.2 Explication des phénomènes observables 2.2 A De la Physique… ------------------------------------------------------------------------- 19 – 24 2.2 B …Aux Mathématiques ------------------------------------------------------------------- 25 - 29 Partie 3 : Cymatique et Nature 3.1 La Cymatique et l’eau ------------------------------------------------------------------ 30 3.1 A Gouttes pulsantes ------------------------------------------------------------------------ 30 - 31 3.2 B Images stationnaires d’eau ------------------------------------------------------------- 32 - 33 3.2 Ressemblance dans la nature ---------------------------------------------------- 33 - 36 3.3 Exemples d’applications de la Cymatique ---------------------------------- 36 - 38 Conclusion : ---------------------------------------------------------------------------------------- 39 Bibliographie : ----------------------------------------------------------------------------------- 40 3 Introduction : L’Homme est pourvu de cinq sens, parmi lesquels : l’ouïe. Nous sommes ainsi capables grâce à notre système auditif, d’entendre le bruit, les sons. Cependant si l’Homme est capable d’entendre le son, il n’est pas en mesure de le voir à l’œil nu. Des savants se sont alors penchés sur ce problème. Il y a-t-il un moyen pour que nous puissions voir les ondes et ainsi visualiser le son ? Après plusieurs siècles de recherches et de nombreuses expériences, les scientifiques ont trouvé un procédé permettant sa visualisation. Ils l’ont nommé : Cymatique. L’objectif de notre TPE est d’expliquer en quoi consiste la Cymatique et comment permet- elle de voir le son. Nous avons choisi en rapport avec ceci, la problématique suivante : « En quoi la Cymatique permet-elle la visualisation du son ? » Si nous avons choisi ce sujet c’est avant tout parce qu’étant musiciens nous sommes attirés par le son. Nous avons ainsi trouvé intéressant et peu commun que d’étudier la Cymatique pour comprendre si la musique que nous jouons peut avoir une forme, une image ou être perceptible par nos yeux. Tout d’abord nous aborderons dans une première partie la définition de la Cymatique ainsi qu’une dimension historique la concernant avec un listage des savants ayant travaillé ou effectué des recherches sur le sujet. Ensuite nous parlerons dans une deuxième partie, de la phase expérimentale de notre TPE que nous avons réalisé en laboratoire de Physique, nous y expliquerons ensuite par de la Physique et des Mathématiques les phénomènes observables lors de nos expérimentations. Enfin, une troisième partie sera consacrée à un rapprochement entre la Cymatique et des phénomènes observables dans la Nature (avec de l’eau, avec la faune et la flore) ainsi que quelques exemples d’utilisation de la Cymatique dans divers domaines. A la fin du dossier se trouvera une bibliographie retraçant nos sources. 4 Partie 1 : Qu’est-ce que la Cymatique ? 1.1 Une science peu connue : Le mot Cymatique provient du grec kýma (κύμα) signifiant « onde », c’est le Dr Hans Jenny, savant Zurichois dont nous allons évoquer le travail, qui inventa ce mot dans sa langue maternelle; l’allemand comme étant « Die Kymatic ». La Cymatique est la science, si l’on peut la qualifier ainsi, qui étudie la visibilité des ondes en particulier les ondes sonores. Il s’agit de comprendre la manière dont les vibrations génèrent et influencent la formation de figures sur des supports que l’on fait vibrer à l’aide de montages expérimentaux. L’objectif premier de ce procédé est de permettre à l’homme de voir le son, chose qui lui était jusqu’alors impossible. Peu médiatisée et méconnue du grand public, la Cymatique réserve pourtant de grandes surprises, en effet nombreuses sont les choses qu’il nous reste encore à découvrir sur ce phénomène. Cependant aussi négligée soit elle par la communauté scientifique, de grands noms des sciences s’y sont penchés. 1.2 Historique de la Cymatique : 1.2 A Genèse du procédé : La Cymatique qui ne fut clairement définie que dans les années 1960 serait apparue pour la première fois il y a environ 1000 ans dans les tribus africaines. Celles-ci utilisaient des peaux d’animaux comme tambour et y disposaient du sable. En frappant le tambour des formes apparaissaient, ils pensaient alors être capables de prédire les évènements à venir en fonction des figures produites. Il est possible que des expériences Cymatique comme celle-ci aient pu être réalisées bien avant dans la mesure où le tambour fut l’un des premiers instruments de musique que l’Homme a façonné. Deux grands savants Italiens mondialement connus de nos jours se sont intéressés à ce principe de Cymatique. Il est important de rappeler qu’à leur époque respective, la Cymatique en tant que science n’existait pas. Il s’agissait là de suppositions et d’hypothèses qui mèneront plus tard à des travaux très approfondis. 5 Léonard De Vinci (1452-1519) : Il fut l’un des premiers à s’interroger sur un phénomène qu’il avait pu observer. En effet il avait remarqué que lorsqu’une table en bois recouverte de poussière était soumise à des vibrations, la poussière contenue à la surface de la table se regroupait et formait des sortes de figures. Galileo Galilei (1564-1642) : Il est véritablement le premier à étudier le comportement des corps en vibration en frottant une plaque de laiton avec un petit burin, il observe alors la formation de stries fines, parallèles et équidistantes les unes des autres sans doute dues à la présence d’un dépôt de cuivre en surface de la plaque. C’est à la fin du XVIIIe siècle que l’étude de la visibilité du son prend un tournant considérable, avec l’arrivée d’un brillant savant Allemand… 6 Ernst Florens Friedrich Chladni (1756-1827) Ce physicien allemand est aujourd’hui considéré comme étant le père de l’acoustique moderne, Chladni révolutionna la Cymatique. Il fut le tout premier à étudier clairement le phénomène de production de formes suite à la mise en vibration d’une plaque. Pour mener à bien son expérience, il prit une plaque en laiton, maintenue fixée en son centre sur un socle en bois, du sable fin et un archet de violon. Il disposa du sable sur la plaque et frotta avec son archet les bords de la plaque. Il remarqua ainsi la création de formes géométriques comme avait constaté ses prédécesseurs cependant il décide de s’intéresser de plus près à ces formes. En faisant varier la force de frottement, sa vitesse et son point d'application, il observa alors la formation de figures variées. La seconde idée qu’il eut fut de reproduire son expérience mais cette fois ci en changeant de plaque, il prit alors des plaques de différentes formes (ronde, rectangulaire, carrée..) là encore de nouvelles figures firent leur apparition. Il arriva donc à la conclusion que la formation des figures dépend de la hauteur du son, donc de la fréquence de l’onde mais également que la forme de la plaque ainsi que l’endroit d’où les vibrations sont émises ont une influence sur la représentation des figures. 7  Remarque 1 : Ernst Chladni n’a pas seulement étudié l’acoustique, il fut également le premier savant qui émit l’hypothèse que les météorites proviennent du système solaire et soient attirées par le champ de gravitation terrestre ; et que soumises aux frottements de l’atmosphère qu’elles traversent à grande vitesse, celles-ci soient échauffées les rendant ainsi lumineuse.  Remarque 2 : La deuxième partie de notre TPE, concerne une partie expérimentale autour de la Cymatique. Nous avons pris comme démonstration du principe de Cymatique l’expérience de Chladni qui porte le nom de « Les Figures Acoustiques de Chladni ». Ainsi nous reviendrons plus en détail sur cette expérience notamment sur les explications scientifiques du phénomène observable autrement dit le pourquoi de la formation des figures de Chladni. Chladni en démonstration de ses figures acoustiques en 1800, Krätz, 1998 8 1.2. B L’avènement d’une nouvelle science Hans Jenny réalisant l’expérience des figures de Chladni Hans Jenny (1904-1972), le père de la Cymatique. Dans les années 1960-70, le Dr Zurichois Hans Jenny à la fois médecin, artiste peintre et musicien réussit à élargir ces données avec de nouveaux dispositifs expérimentaux comme la mise en vibration de membranes. Il innove notamment en faisant appel à des matériaux variés comme les liquides (eau et substances visqueuses) mais aussi à divers types de poudre (sable et limaille de fer entre autre). Pour la mise en vibration de plaques métalliques et de membranes Jenny décida de faire varier la fréquence de vibration, son amplitude ainsi que la durée de son application. Pour ce faire il utilisa un cristal piézoélectrique (par exemple le quartz), ce type de cristal se déforme lorsqu’il est soumis à une tension électrique. Grace à ce système qu’il place sous la partie inférieure de la plaque, Jenny put choisir précisément le lieu d’où provenait les vibrations, c’est ainsi qu’il obtint en fonction du lieu de départ des uploads/Science et Technologie/ tpe-cymatique-dossier-final 1 .pdf