Sonnette électromécanique

De Wikidebrouillard.

Article incomplet en cours de rédaction


Sommaire

Présentation de l'expérience

Il s'agit de fabriquer une sonnette électromécanique, du style de celles que l'on trouvait dans les années 50. Celle donc des tireurs de sonnette que Doisneau a immortalisés dans une photo célèbre.

Cette expérience va faire l'objet d'un kit science. [Fichier du kit science "sonnette électromécanique" (en cours de finalisation)]

Un fichier powerpoint peut être fourni à celui qui voudrait modifier la présentation (me jondre)

La description des principes et objectifs des kits science peut être trouvée à Principe des kits sciences

Voici la sonnette une fois montée:

une video de la sonnette sera mise en ligne prochainement

Matériel pour fabriquer le kit

Ce matériel se devine en partie sur la photo:

  • une planchette de contreplaqué d'épaisseur 10 mm
  • des vis 3 mm en plusieurs longueurs pour tenir les dominos
  • des dominos d'électricien
  • de la corde à piano (fil d'acier écroui aux propriétés élastiques)
  • une petite barette de fer(quincaillerie)
  • un clou
  • du fil de cuivre à bobiner récupéré sur un vieux moteur ou transformateur
  • un "verre de cantine" qui servira de timbre à notre sonnette

Fabrication et montage de la sonnette et des autres expériences

Toutes les indications sont données dans le livret d'accompagnement. Aucun problème particulier.

Qu'apprend-t-on avec cette sonnette ?

On fabrique un électro-aimant

Quand un courant électrique circule dans un fil, il produit un champ magnétique. Quand ce fil est enroulé en bobine, le champ magnétique créé par les différentes spires s'additionne sur son axe (clic). Il se trouve encore renforcé si le fil est enroulé autour d'un noyau de fer. Ce noyau de fer entouré d'une bobine de fil s'appelle un électro-aimant. C'est équivalent à un aimant lorsque le courant passe dans la bobine. Mais ici, les côtés nord et sud dépendent du sens du courant et l’intensité du champ magnétique dépend de l’intensité du courant : c’est un aimant « pilotable » par un courant. Tout cela réalisé avec un simple clou et un peu de fil de cuivre comme sur la photo.(clic) C’est intéressant de remarquer que le clou est en fer doux et non en acier. Contrairement à l'acier, il contient très peu de carbone. Contrairement à l'acier également il ne conserve pas l'aimantation. Si bien qu'en coupant le courant, l'aimantation est stoppée. Une aiguille à coudre est en acier et conserve très bien l’aimantation. On peut d’ailleurs s’en servir pour réaliser une aiguille de boussole. Profitez-en pour tester votre électro-aimant ! (clic)


On fabrique un fléau vibrant

Ce fléau est celui qui frappe sur le timbre de la sonnette (ici le verre de cantine). Il est constitué d’une partie élastique (corde à piano) et d’une petite masse au bout de la partie élastique(clic) La partie élastique est en corde à piano qui est un fil d’acier écroui. Ecroui veut dire que ce fil a subi un traitement de surface qui l’a rendu très dur en surface. C’est avec ce type de fil que l’on fabrique les ressorts. C’est donc idéal pour réaliser la partie élastique de notre fléau vibrant. Ce système masse-ressort constitue un résonateur ou vibreur qui vibre à sa fréquence propre lorsqu’on le sollicite (voir plus haut la vidéo de la sonnette). La fréquence de la vibration est le nombre de vibrations par seconde. Le terme propre signifie que cette fréquence est déterminée par la constitution du vibreur (masse du marteau, raideur de la corde à piano). Cette vibration peut être déclenchée par un simple choc. Suivant la longueur du ressort ou la valeur de la masse, on peut changer la fréquence propre de vibration. On peut augmenter la fréquence de vibration en diminuant la masse ou en raccourcissant la partie ressort en corde à piano. Dans l’expérience on fabrique deux vibreurs avec des fréquences différentes afin d’en tester l’effet sur la sonnette (clic).

On expérimente avec la sonnette et on en comprend le fonctionnement

En observant ce qui se passe, on comprend très bien comment le mouvement de la vibration est entretenu. A chaque fois que le marteau s’éloigne du verre, il rétablit le contact électrique qui alimente l’électro-aimant. Le marteau est alors attiré par l’électroaimant et vient frapper à nouveau le verre. Et comme l’électroaimant n’est plus alimenté, le marteau s’éloigne à nouveau du verre…etc… C’est une vibration auto-entretenue. Au fait, et si vous placiez un petit aimant sur le marteau… Que se passe-t-il ? Est-ce vraiment une bonne idée ?


On expérimente avec deux fléaux de fréquences propres différentes

Ecoutez bien tinter la sonnette ! On reconnaît deux types de vibrations : - la vibration aigue du verre lorsqu’il vient d’être frappé par le marteau. Cette vibration aiguë correspond en fait à la fréquence propre du verre (beaucoup plus grande que celle de notre fléau vibrant !) - la vibration correspondant aux coups frappés par le fléau sur le verre C’est cette dernière fréquence que l’on peut changer en montant un fléau de fréquence propre différente. Ecoutez bien. Vous entendez la différence ?


On applique ce que l'on a compris pour fabriquer une pendule électrique

Le principe de vibration autoentretenue peut être mis à profit pur réaliser une pendule électrique. En fait, on va réaliser uniquement un balancier dont le mouvement sera auto-entretenu.

En physique, le balancier d’une pendule s’appelle justement un pendule. Il est constitué par une masse pesante au bout d’une tige rigide qui pivote autour d’un axe (clic).

Ce sont les caractéristiques de ce pendule (longueur et masse) qui déterminent la fréquence de vibration. On peut d’ailleurs intuitivement l’ajuster pour qu’il batte la seconde (le temps entre deux oscillations qu’on appelle période).

Avec un tel balancier, il suffit de compter le nombre de périodes pour connaître le temps écoulé en secondes.

Malheureusement, après l’avoir lancé il continue ses oscillations pendant quelques périodes, puis s’arrête à cause des frottements sur son axe et du freinage par la résistance de l’air.

Que peut-on faire ? Tout simplement utiliser le même principe que celui de la sonnette. Saurez-vous y arriver après quelques tâtonnements ?


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