Notre carte d'acquisition, Candibus, étant peu sensible,
et très bruitée, nous avons été contraints
d'ajouter un dernier étage amplificateur de gain 10 x, permettant
de mesurer convenablement une variation de tension de 0,2 V lorsque les
masses extérieures M sont approchées. Une carte plus sensible
et moins bruitée pourrait permettre de se passer de cet amplificateur
pénible d'emploi, car les saturations dues aux dérives sont
bien évidemment atteintes 10 fois plus vite aussi. En ce cas, il
faudra mesurer proprement 0,02 V. Le 4° amplificateur du TL084 pourra
alors servir au changeur de signe.
Il faudra adapter la profondeur de la boîte contenant le montage
au diamètre de ces masses ; une profondeur plus faible permettant
d'approcher de plus près les masses M.
Les masses mobiles m ont été coulées par moitié
dans un moule en plâtre réalisé à l'aide d'ampoule
d'éclairage sphérique.
N'enfoncer qu'une demi sphère de l'ampoule dans le plâtre
frais, sinon le démoulage sera pénible.
Le coulage se fait en fondant du plomb de récupération
à l'aide d'un chalumeau puissant de plombier.
Placer le moule sur une balance de Roberval, faire la tare, remplir une demi sphère, la peser et remplir encore trois fois jusqu'à obtenir la même masse (ici 525 g chacune). Le démoulage est sans problème. Prévoir plusieurs empreintes de lampes, pour le cas où le plâtre se fendrait.
Grosses masses M. Nous les avons coulées directement dans une
louche de plombier, à peu près sphérique, et pesées
au pèse personnes.
Une variante consisterait à acheter des sphères en polystyrène
(accessoires beaux arts en librairie) et à noyer celles-ci dans
du sable de fondeur, comme forme perdue. Le résultat devrait être
meilleur. Il faudra alors les percer pour les fixer.
Il est construit en profilé d'aluminium (environ 1 cm x 1 cm),
long d'environ 22 cm. Une plus grande longueur permettrait d'améliorer
l'efficacité du montage (voir mémoire), mais elle n'a pas
été testée. Donc être prudent, et en ce cas
ne pas oublier d'agrandir la boîte contenant le fléau.
Au milieu est vissé un profilé aluminium plat, vertical,
aux deux extrémités duquel le fil Nylon est tenu par des
pinces (un morceau du même profilé plat, serré par
une vis). Bien ébavurer ces parties pour éviter une coupure
du fil en Nylon.
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Nous avons simplement serré les deux demi sphères
à l'aide de scotch d'électricien, en veillant à ce
qu'elles s'équilibrent. La palette est découpée dans
une feuille d'aluminium, avec des cisailles ; elle est fixée au
fléau par une vis et un écrou en laiton, trouvés dans
tout magasin de bricolage.
Elle est en bois, matériau antistatique et amortissant les vibrations
(et facile à travailler).
La face arrière est un rectangle de 30 cm x 60 cm en contreplaqué
d'épaisseur 8 mm. La face avant est en deux parties, de 30 x 20
cm pour le haut et 30 x 40 pour le bas.
Les faces sont écartées par du tasseau de sapin de 9
cm de profondeur et 2,5 cm d'épaisseur. En fait, nous avons superposé
2 tasseaux lorsque nous avons changé nos masses m pour des plus
grosses. Vous pourriez choisir une épaisseur encore mieux adaptée
au diamètre de vos propres masses mobiles.
Si vous souhaitez poser les masses extérieures M sur un support
tournant, prévoyez des tasseaux latéraux dépassant
sous la boîte, pour la surélever.
Sur un des tasseaux latéraux, fixer en bas, un tasseau horizontal
et vissez trois vis laiton qui serviront de points d'appui réglables.
Toutes les vis seront en laiton.
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En partie haute, le fil doit pouvoir être réglé
en hauteur et rotation. Vous pouvez envisager un système type mandrin
de perceuse (non magnétique). Nous avons choisi le système
le plus simple : Le haut de la boîte est percé d'un trou bien
vertical et bien centré (perceuse sur colonne). Dans le trou entre
un tube d'aluminium ou mieux de laiton, bien ajusté, mais sans forcer.
Sur ce tube est emboîté à force un morceau de bois
posé sur le haut de la boîte, tournant.
Le fil Nylon passe à travers le tube et vient se fixer par un
noeud de pêcheur sur un crochet qu'une vis laiton permet de tendre
plus ou moins. Arrondir le tube pour éviter un coude brutal du Nylon
qui se traduira par une rupture du fil. Le laiton sera plus facile à
courber que l'aluminium, cassant.
Le défaut de ce système est qu'en tournant le support,
le fil subit aussi une translation, empêchant un emploi précis
de la méthode de mesure n° 2 (voir mémoire).
Le fil est aussi tenu dans la partie basse de la boîte, par un
système permettant de régler sa tension (pour diminuer les
oscillations parasites de type pendule simple).
Il est constitué du montage électronique décrit
dans le mémoire (page précédente de ce site) et d'une
fourche optique constituée d'une diode électroluminescente
infra rouge et d'un phototransistor, séparés par quelques
millimètres. Les modèles actuels semblent tous constitués
d'un matériau magnétique, mais pas le vieux modèle
que nous avions la chance de posséder. Donc rendez vous chez votre
fournisseur habituel de composants électroniques, avec un aimant,
pour faire le tour de son stock. Si vous n'en trouvez pas de non magnétique,
éloignez la fourche de la bobine, cela devrait fonctionner quand
même.
La fourche est placée à 40 cm du haut du boîtier.
La bobine comporte 200 spires, de fil de cuivre fin, émaillé,
bobinées à la main sur un support découpé à
la pince coupante dans une feuille d'aluminium, de dimensions environ 2
x 2 cm et de 1 cm de profondeur. Le support de la bobine et le détecteur
photoélectrique sont vissés avec des boulons en laiton, sur
une plaque de matière plastique rigide, de récupération.
Cette plaque est vissée à travers le fond du boîtier
à deux petites plaques de 2 x 2 cm environ. Les trous de passage
à travers le boîtier sont assez larges, pour permettre un
déplacement de 1 cm environ de la plaque support, ceci afin de mettre
la fourche optique en bonne place, malgré l'allongement du fil Nylon.
L'aimant est un morceau de petite aiguille aimantée en ticonal,
fournie par la firme Jeulin.
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Elle est décrite dans le mémoire à la page
précédente de ce chapitre. Elle est soudée sur un
circuit imprimé, vissé à l'aide de boulons en laiton,
à l'arrière de la boîte contenant le montage. Vérifiez
bien la position du circuit pour qu'il ne gêne pas l'approche au
plus près des masses extérieures M, et pour que le réglage
du potentiomètre soit possible.
Vous
pouvez dans un premier temps les poser en bonne place sur deux planches
à dessin calées par des livres. Des catalogues de chimie
par exemple. Peu de livres de philosophie se prêtent à cet
usage. Montaigne peut-être.
Cela présente plusieurs inconvénients : C'est fatigant,
lassant même ; l'approche des manipulateurs portant les masses perturbe
la mesure ; le plancher peut se déformer, basculer, ce qui conduit
à douter des résultats.
Nous avons réalisé une espèce de tabouret assez
large, 58 cm, pour ne pas toucher le boîtier de mesure, mais pas
trop profond, 20,5 cm, pour que les masses M puissent se déplacer
correctement. Il laisse 8 cm au-dessus du boîtier pour autoriser
la torsion du fil, par son support. Un bras rotatif en bois supporte les
deux masses M de 20 kg par des tirants en aluminium. Sa rotation est limitée
par des butées. La rotation est commandée à distance
par une baguette en bois. Ce montage est en fait très proche de
celui de Cavendish. Le palier supportant la planche tournante a été
réalisé en matière plastique par un professionnel,
Jean Bruno Landry, que nous remercions au passage. Il permet de limiter
les frottements.
Un défaut que nous n'avions pas prévu est que lors de
la rotation, les masses se mettent à balancer, sous l'effet de "la
force centrifuge". Une butée doit donc les arrêter pour qu'elles
s'approchent au plus près du boîtier, sans jamais le heurter.
Ces butées sont placées en bas, sur les traverses qui rigidifient
le tabouret et bloquent les tirants supportant les masses.
Il aurait peut-être été plus astucieux de réaliser
un support tournant passant sous le boîtier. Mais le nôtre
s'est cassé au premier essai.
Nous ouvrons le boîtier, en enlevant le panneau avant du bas.
Nous fixons sur la palette liée au fléau mobile un fil rigide
(fil de cuivre). Dans un premier temps, nous avions employé du fil
Nylon, dont la souplesse a complètement faussé les résultats.
Nous fixons sur le boîtier, à l'aide d'un serre joints (peu
importe qu'il soit ou non magnétique), une règle d'écolier
et nous faisons passer le fil de cuivre par le trou de la règle.
Nous intercalons entre la masse mobile m, du côté du détecteur,
et la règle, un tout petit bloc de mousse qui fait ressort et qui
la pousse vers l'intérieur. Nous tirons le fil à l'aide d'un
palmer. Pour cela, nous avons bricolé un petit capuchon appuyé
sur la tige du palmer par un élastique tendu, empêché
de tourner, et attaché au fil de cuivre.
Nous relevons la tension de sortie du phototransistor en fonction de
la position indiquée par le palmer. Un comparateur serait sans doute
plus pratique.
Sur la photographie de la page 2, où notre groupe se présente,
vous pouvez voir le palmer, au cours de la mesure. Lorsque cette photographie
a été réalisée, les masses mobiles m étaient
beaucoup plus petites et nous pouvions les pousser à l'aide du palmer.
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Posez le boîtier à plat, passez le fil de Nylon, attachez
le en partie haute, laissez le libre en bas, car il va tellement s'allonger
qu'il vous faudra le tendre après seulement. Fixez le fléau
au fil, en prévoyant un allongement de 2 cm (fil de pêche
de 35 / 100 de mm, 2 masses m de 1 050 g). Serrez fort les plaques de blocage
du fil sur le fléau (tournevis et petite clé plate). Redressez
le boîtier avec précautions, en plaçant une main sous
le fléau pour le cas où le fil Nylon casserait.
Calmez les oscillations à la main, puis tournez le support supérieur
du fil Nylon, pour que le fléau n'ait ni tendance à entrer,
ni à sortir (il faut que la palette vienne au milieu du faisceau
lumineux du système optique). La première fois, vous effectuerez
10 tours, puis vous vous rapprocherez de la bonne valeur par dichotomie.
Faites cela en mettant en service l'asservissement et en observant à
l'oscilloscope, si possible à mémoire la tension de sortie
de l'amplificateur n° 2. Lorsque tout sera au point, celui-ci pourra
prendre le fléau sous contrôle. Soyez patients, le système
d'amortissement mesurant la vitesse de variation de la tension, ne fonctionne
donc pas lorsque l'électronique est saturée.
Lorsque le fléau passe sous contrôle, vous observez des
oscillations amorties. Lorsque leur amplitude est devenue assez faible,
vous pouvez régler le potentiomètre du dernier amplificateur.
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