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Physique de l’espresso

Une recette ancestrale

Dans les grandes lignes, depuis son invention en 1884, la préparation d’un espresso consiste à forcer de l’eau chaude à passer assez rapidement à travers du café moulu très fin. Plus précisément, la température de l’eau ...

Des panneaux solaires bifaces

Les panneaux solaires : du silicium « dopé »

Dans un panneau solaire, l’énergie lumineuse est convertie en courant électrique, grâce à l’effet photoélectrique où un photon arrache un électron à un atome. Pour cela, il faut ...

Les électrons peuvent s’écouler comme l’eau

Lorsque l’eau s’écoule dans un tuyau, ce sont les interactions entre ses molécules qui la freinent. A l’inverse, lorsque des électrons s’écoulent dans un fil conducteur, c’est avant tout le fil lui-même qui les freine. Une équipe de chercheurs britanniques et israéliens, ...

Les cristaux temporels

Réseaux cristallins associés à l'eau. by Psi?edelisto, based on version by Dbuckingham42 - Own work, CC BY-SA 4.0,

Cristal et brisure de symétrie 

Un cristal est un état de la matière dans lequel les atomes sont ordonnés selon une périodicité spatiale ...

Du ribose dans les météorites

Le ribose, sucre vital

L’ADN - ou acide désoxyribonucléique - est formé en particulier d’un sucre, le désoxyribose, lui-même un dérivé du ribose (C5H10O5). Plus précisément, dans le désoxyribose (C5H10O4) un groupement hydroxyle (-OH) du ribose ...

Un nouveau comportement des électrons

Cooper pairs - Tem5psu CC BY-SA
Isolants, conducteurs et semi-conducteurs

Le comportement d’un solide cristallin relativement au courant électrique, peut être celui d’un isolant, d’un semi-conducteur, d’un métal ou d’un supraconducteur. Dans les isolants, ...

Interférences et biomolécules

CC BY-SA 4.0 Alexandre Gondran
Les expériences d’interférences mettant en jeu des molécules de plus en plus grosses et lourdes révèlent que les lois de la mécanique quantique sont applicables bien au-delà du monde de « l’infiniment petit » ...

Anomalie de dilatation thermique

By Simon Mer - Own work, CC BY-SA 4.0
Généralement, les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. La raison en est qu’une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des atomes, or cette agitation n’est pas symétrique. En effet, deux atomes liés au repos sont espacés d’une distance optimale d’un point de vue énergétique, et ont beaucoup plus de mal à se rapprocher très près, que de s’éloigner l’un de l’autre. Cela résulte du fait que la force répulsive croit extrêmement vite si l’on cherche à diminuer la longueur de liaison, alors que la force attractive croit très lentement lorsqu’on tente d’augmenter cette longueur. En somme, la liaison interatomique agit comme « ressort » qui se comprime plus difficilement qu’il ne s’étire. Par conséquent l’agitation thermique a plutôt tendance à augmenter les distances interatomiques, donc le volume.

Pourtant, il existe des exceptions, comme l’eau lorsqu’elle gèle et qui est d’ailleurs l’exemple le plus courant. Plus précisément, la densité maximale de l’eau se situe vers 4°C, ce qui signifie que le liquide voit son volume diminuer lorsque la température grimpe de 0°C à 4°C. Sur cette plage de température, l’eau possède un « coefficient de dilatation négatif ». Certains éléments du tableau périodique se comportent également de cette manière, leur congélation provoquant une diminution de leur densité, le solide flottant sur le liquide. C’est le cas du silicium, du bismuth, du gallium, du germanium, du plutonium et de l’antimoine. Il s’agit là d’exemples d’anomalie de dilatation ne concernant qu’une petite plage de température ou n’ayant lieu que lors du changement de phase liquide - solide. Mettons l’eau liquide et les changements de phase de côté et intéressons-nous à des solides cristallins.

Existe-t-il de tels matériaux ayant un coefficient de dilatation négatif ? La réponse est oui et cela est bien mystérieux. Un des exemples les plus étudiés est le tungstate de zirconium (ZrW2O8) qui exhibe cette anomalie entre -273°C et 777°C. Un autre est le trifluorure de scandium (ScF3) entre -263°C et 827°C. D’autres exemples sont également connus, comme certains silicates, cyanures, les nanotubes de carbone, la glace elle-même quand elle est refroidie à – 200°C… Les études récentes du trifluorure de scandium (ScF3) commencent à lever le voile sur le mystère du coefficient négatif des solides cristallins. La distance entre des atomes liés ne diminue pas, mais c’est l’agitation de la structure cristalline qui permet une réduction de volume comme sur le schéma ci-dessous. Il est fort probable que toutes les autres anomalies puissent s’expliquer selon ce même modèle.

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du premier stage au premier emploi


Les technologies des trains à grande vitesse
La course à la vitesse est à l'origine de nombreuses innovations du domaine ferroviaire

Le TGV en France

L'idée de créer un TGV (Train à Grande Vitesse) pour relier les principales villes françaises émerge au cours des années 1960, dans le but de concurrencer l'automobile et l'avion par une augmentation de la vitesse du transport. Propulsé par des moteurs électriques, ces trains sont composés de deux locomotives indépendantes, encadrant une rame articulée de huit ou dix voitures. Le record de vitesse sur une longue distance a été établi en 2001, avec une moyenne de 306,3 km/h sur le trajet Calais-Marseille.

Le TGV ne peut atteindre ses vitesses maximales que sur une ligne à grande vitesse. Il emprunte les autres voies ferrées à la vitesse maximale autorisée par ces lignes, soit jusqu’à 220 km/h selon le tracé et le type de signalisation. Pour exploiter la grande vitesse, il faut alors construire un réseau de voies ferrées et de gares tenant compte par exemple des contraintes de vibrations sur les voies.

Depuis sa mise en place, le TGV, n'utilise plus une signalisation au sol par des panneaux lumineux mais une signalisation à transmission continue, ce qui permet à la personne aux commandes d'exercer un contrôle constant sur le train. Dans la même idée, les innovations se poursuivent pour les conducteurs·trices de train, comme avec l'application Opti Conduite mise à la disposition en juillet 2016 sur l'ensemble des axes TGV. Installée sur des tablettes, elle permet de visualiser en temps réel la vitesse à adopter, ainsi que les prochains changements de vitesse à effectuer. En assurant une conduite plus souple, plus de confort pour les voyageurs·euses et une harmonisation du trafic, l'applicationdevrait permettre de réaliser une moyenne de 10% d'économie d'énergie en 2017.

Une nouveau type de train, le Maglev

Il s'agit d'un train sur monorail, dont le mode de propulsion est le champ magnétique généré par la voie elle-même. Le Japon a choisi la technologie de la sustentation électrodynamique pour son Maglev. L'Allemagne avait développé la technologie de sustentation électromagnétique, le premier train au monde de ce genre à transporter des passagers en 1979, malheureusement abandonné pour des raisons financières.

Le Maglev lévite grâce à des aimants fixés aux véhicules et à des bobines supraconductrices refroidies à -269°. N'étant pas en contact direct avec le rail, l'absence de frottements permet au train d'atteindre jusqu'à 600 kilomètres/heure.

Une nouvelle forme de train, l'Hyperloop

La SNCF participe au financement d’un projet de train hypersonique, l'Hyperloop. Depuis que le projet a été proposé en 2014 par Elon Musk (patron de Tesla et SpaceX),  avec une stratégie encourageant les démarches collaboratives, de nombreuses entreprises se penchent sur le sujet. Parmi 2 600 dossiers, la firme américaine en a sélectionné 35, issus de particuliers ou de grands services publics. Après une nouvelle étape de sélection au mois de mai, trois lauréats seront désignés au mois d'août.

Le principe ? Des capsules de 3 tonnes et de moins de 3 mètres de diamètre, flottant sur un coussin d’air, sont propulsées par un rail magnétique dans des tubes suspendus ou sous l'eau, le tout fonctionnant à l'énergie solaire. Des moteurs à induction sont placés à intervalle réguliers pour assurer cette propulsion. Les tubes étant presque vides, le peu de frottements permet de transporter les personnes et les marchandises à des vitesses de plus de 1 200 kilomètres par heure, soit presque la vitesse du son. Même si les chantiers de l'Hyperloop avancent, les premiers trains ne devraient pas être mis en circulation avant au moins 2020.

Relier San Francisco-Los Angeles en 30 minutes, Vienne-Bratislava-Budapest en 20 minutes, Paris-Marseille en moins d'une heure, Paris-Reims en 12 minutes contre 48 avec le TGV, parcourir les 12 kilomètres qui séparent la Corse de la Sardaigne en une poignée de secondes, les promesses mises en avant pour chacun des projets font rêver. En plus de la cible grand public, une entreprise réfléchit au transport de fret, un « cargoloop » qui pourrait passer par des voies souterraines voire sous-marines. De quoi transformer de nouveau en profondeur le transport de marchandises en plus du transport des personnes.

L'une des entreprises américaines travaillant sur ce projet a annoncé, le mardi 24 janvier 2017, l'implantation d'un centre de recherche et développement européen à Toulouse. Hyperloop Transportation Technologies doit bâtir des locaux sur l'ancienne base aérienne de Francazal, mise à disposition par l'État. Le centre comprendra notamment des locaux de recherche et une piste d'essai d'environ un kilomètre. Grâce aux synergies avec l’aéronautique et le spatial, l'objectif est de passer à une phase expérimentale d’ici 2021.

En savoir plus

Le métier de conductrices et conducteurs de train, sur Explorathèque

SNCF Opti-Conduite, l’application qui voudrait faire économiser de l’énergie aux TGV

Les trains à sustentation magnétique sont-ils déjà obsolètes ?, un point sur les technologies des trains

L'Hyperloop s'installe à Toulouse, Le Huffington Post

Arthur Jeannot
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