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Renseignements de base sur « Les surprises de la science »Les renseignements suivants devraient aider à répondre à certaines de vos questions sur le contenu du programme « Les surprises de la science ». Cliquez sur l’une ou l’autre des questions ci-dessous pour accéder à des renseignements qui pourront vous aider à présenter votre cours sur la chimie, les gyroscopes, la cryogénie et l’électricité. Chimie
Gyroscopes
Le générateur Van de Graaff/Électricité
ChimieQu’est-ce que l’échelle de pH? 
Les acides et les bases forment une branche importante de la chimie. L’échelle de pH sert à classer les acides et les bases de différentes forces. Mais cela ne dit rien si on ne comprend pas ce que sont les acides et les bases. On entend souvent parler des dangers des acides. On entend dire, par exemple, que les pluies acides tuent la faune et dissolvent les structures en pierre. Saviez-vous que le jus de citron et le vinaigre sont aussi des solutions acides? Rappelez-vous que du jus de citron sur une coupure provoque une sensation de brûlure. Le jus de citron n’est pas un acide puissant; toutefois, des acides plus puissants utilisés dans l’industrie et fortement concentrés peuvent se révéler très dangereux et ronger les vêtements, la peau et les os. Les bases, quant à elles, sont une autre catégorie de produits chimiques qui peuvent être tout aussi dangereux. Les bases utilisées à la maison incluent l’ammoniaque et le débouche-conduits. Du point de vue chimique, les acides et les bases sont très différents. 
Tout composé qui produit l’ion hydrogène H+ en se dissolvant dans l’eau est classé dans la catégorie des acides. La solution acide qui en résulte présente certaines propriétés physiques et chimiques distinctes. Elle contient des particules chargées en raison de la dissociation de la solution en ions et, par conséquent, elle conduit l’électricité. Les solutions acides ont un goût aigre. Elles laissent échapper du gaz d’hydrogène quand elles réagissent à des métaux comme le magnésium et le zinc. De plus, elles font passer le papier de tournesol du bleu au rouge. Quand elles sont dissoutes dans l’eau, les bases produisent l’ion hydroxyde OH-. La solution alcaline ainsi créée est caractérisée par un ensemble différent de propriétés physiques et chimiques. Comme les acides, les solutions alcalines conduisent l’électricité. Mais au toucher, elles paraissent glissantes ou savonneuses. Les bases font virer le papier de tournesol du rouge au bleu. On peut aussi les distinguer en raison de leur goût amer. 
L’échelle de pH est utilisée pour classer les acides et les bases de différentes forces. À titre indicatif, on peut penser à un thermomètre dont l’échelle sert à déterminer les températures. L’échelle de pH va de 0 à 14. Les acides se trouvent à une extrémité de l’échelle et les bases à l’autre extrémité. Les valeurs du pH sont déterminées par la concentration d’ions hydrogène dans la solution. Une solution neutre comme l’eau pure, qui n’est ni acide ni alcaline, a un pH égal à 7. Les acides ont un pH inférieur à 7, alors que les bases ont un pH supérieur à 7. Source : O’Connor, Davis, Haenish, MacNab, McClellan, Chemistry Experiments and Principles, D.C. Heath and Company, Toronto, 1977, pages 290-291. Comment fonctionne un antiacide? Lorsqu’on mélange des quantités égales de solutions acides et alcalines de force comparable, la réaction qui en résulte produit une solution neutre. Cela est très important pour la chimie de nos estomacs. L’acide chlorhydrique, qui se trouve normalement dans le suc gastrique, est nécessaire à la bonne digestion des protéines dans l’estomac. Certaines personnes souffrent d’indigestion due à l’acidité soit parce qu’elles abusent de certains aliments, soit parce que la paroi de leurs estomacs est faible. Dans ce cas, la prise d’un antiacide -- par exemple, d’une base comme les pastilles TUMS ou le lait de magnésie -- peut neutraliser l’excès d’acide dans l’estomac et procurer un soulagement. Il arrive par contre que des personnes souffrent d’hypoacidité, c’est-à-dire que leurs estomacs contiennent une quantité d’acide chlorhydrique inférieure à la normale; on leur conseille alors de prendre de l’acide chlorhydrique dilué par voie orale pour corriger cette déficience. Comment l’iode et l’amidon réagissent-ils dans la cuisine?   
Le mélange d’iode et d’amidon forme un complexe bleu dont on se sert couramment pour déceler la présence d’iode ou d’amidon. Quand on dépose une solution d’iode sur des aliments contenant de l’amidon, on voit apparaître une couleur bleue-noire ou brune. Ce phénomène se produit pour divers aliments comme la pomme de terre, le riz, les pâtes, la farine, le pain et la fécule de maïs. L’iode ne produit pas de couleur bleue sur les aliments sans amidon (presque tous les légumes frais comme le concombre et le céleri, le sucre, le sel et l’huile). On ne connaît pas la nature exacte du complexe bleu.
L’utilisation d’iode pour déceler la présence d’amidon est une expérience facile à faire à la maison. On peut acheter de l’iode à la pharmacie en demandant de la « teinture d’iode rouge ». Quel rôle l’amidon joue-t-il dans l’environnement? 
Gyroscopes
Le terme « gyroscope » désigne un objet monté de manière à tourner très vite autour d’un axe de symétrie. De nombreux types d’objets tournent ou peuvent être amenés à tourner (par exemple, une toupie, une roue de bicyclette, un patineur ou une patineuse artistique, la Terre et les autres planètes du système solaire, certains satellites de communication et de recherche, un parapluie, un oeuf). Tous ces objets présentent des propriétés gyroscopiques qui ont servi à inventer une gamme de systèmes de guidage et de stabilisation utilisés, entre autres, dans les avions et les sous-marins. Qu’est-ce que le gyroscope a de particulier? 
L’inertie gyroscopique, appelée aussi effet gyroscopique, constitue la propriété fondamentale des gyroscopes. Il importe tout d’abord de comprendre ce que signifie le mot « inertie ». Il s’agit d’un principe selon lequel tous les objets résistent naturellement à l’accélération ou au changement de direction. (Par exemple, les occupants d’une voiture sont projetés vers l’avant quand celle-ci s’arrête brusquement parce qu’en raison de leur inertie, les corps continuent leur mouvement vers l’avant même si la voiture s’est arrêtée.) Lorsqu’on parle d’inertie gyroscopique, on fait allusion à l’inertie que possède un corps qui tourne. Tous les objets tournant autour d’un axe ont tendance à maintenir une orientation fixe, c’est-à-dire une direction de rotation et une position fixes, si aucune force n’intervient. En d’autres mots, un objet qui tourne a tendance à rester dans la même position. Sur terre, les gyroscopes en mouvement finissent par s’arrêter en raison de la friction et de la résistance de l’air. Toutefois, cela ne se produit pas dans un environnement idéal comme l’espace. Quelles sont certaines des applications de l’effet gyroscopique? Stabilisation d’une bicyclette : Il est beaucoup plus facile de garder l’équilibre sur une bicyclette en mouvement que sur une bicyclette arrêtée. Nous savons qu’un objet qui tourne tend à garder la même position. Plus l’objet tourne vite, plus l’inertie gyroscopique est grande et plus il est difficile de changer la direction de sa rotation et sa position. Par exemple, plus les roues de la bicyclette tournent vite, plus l’inertie gyroscopique est grande, plus la bicyclette est stable et plus il est facile de garder l’équilibre. Instruments de guidage et de stabilisation (instruments de navigation): L’horizon artificiel dont se servent les pilotes d’avion est produit par un gyroscope en mouvement. Cet instrument est extrêmement important pour les pilotes puisqu’il leur indique la position de l’avion par rapport à l’horizon vrai. En aéronautique, les gyroscopes sont aussi utilisés dans les instruments de relèvement au compas, dans les instruments qui déterminent la direction et dans les instruments de stabilisation de l’équipement. De même, les gyroscopes servent à stabiliser les navires et les sous-marins. 
Stabilisation des satellites orbitaux : De nombreux satellites tournent très rapidement sur leurs axes. Cette rotation donne au satellite une inertie gyroscopique qui lui permet dans une certaine mesure de maintenir une orientation ou une direction fixes dans l’espace (cet aspect est très important pour les satellites de télécommunications). Comment la bicyclette utilise-t-elle le principe gyroscopique? 
Un objet qui tourne ne réagit pas de la même manière qu’un objet stationnaire à une force extérieure. Si on applique une force à un objet autoportant qui ne tourne pas, cet objet se met à tourner dans la direction où la force s’applique. Au contraire, un objet qui est déjà en train de tourner ne se met pas à tourner dans la même direction que la force qui lui est appliquée. Il réagit comme si une force lui avait été appliquée à un autre point. Cela s’appelle la précession. Comme l’inertie gyroscopique, la précession contribue à la stabilité et à la maniabilité de la bicyclette. Lorsqu’on roule à bicyclette, on essaie en général de garder l’équilibre au-dessus du point de contact avec le sol, sauf quand on veut tourner. Pour prendre un virage, on penche dans le sens du virage, sinon la bicyclette dérape. Sans probablement s’en rendre compte, on se penche dans le virage pour produire une précession dans les roues et tourner plus facilement. Le mouvement de précession fait tourner la bicyclette dans la direction où on se penche, sans qu’on ait besoin de tourner le guidon. En d’autres termes, au moment où on s’apprête à prendre un virage vers la droite, on penche le corps et la bicyclette vers la droite. La précession produite fait automatiquement tourner la bicyclette vers la droite près de la bordure de la chaussée et l’empêche de déraper. Il suffit ensuite de la ramener à sa position verticale antérieure -- en attendant le prochain virage! Comment la précession de la Terre affecte-t-elle son mouvement? 
La Terre est sans cesse en mouvement. On distingue trois types de mouvement différents.
Qu’est-ce qu’un satellite Télésat et un patineur artistique ont en commun? 
Le mouvement de rotation a une propriété dont les satellites et les patineurs ou les patineuses artistiques peuvent tirer parti. L’extension d’un objet qui tourne sur son axe ralentit la rotation de cet objet. Par contre, la rétraction d’un objet qui tourne sur son axe augmente sa rotation. Même si la masse totale de l’objet reste la même, la forme ou la répartition de la masse change et cela modifie la vitesse de rotation. Cela explique pourquoi un patineur artistique tourne plus rapidement quand il ramène ses bras vers son corps. D’autres sports comme la plongée et la gymnastique tirent aussi parti de ce phénomène. Quand un athlète étend les bras ou les jambes, sa rotation est ralentie. 
L’industrie aérospatiale canadienne a largement utilisé ce phénomène physique. Après avoir lancé le satellite de télécommunications Anik E2, d’une valeur de 300 millions de dollars, au début d’avril 1991, Télésat Canada a dû faire face à un grave problème : une des antennes du satellite refusait de s’ouvrir, et la situation semblait désespérée. Comment libérer une antenne sur un satellite tournant en orbite à 37 000 km au-dessus de la Terre? Les techniciens ont eu la brillante idée de faire tourner le satellite de plus en plus vite jusqu’à ce que l’antenne parvienne à se dégager et à s’ouvrir. Une fois l’antenne complètement étendue, la rotation du satellite a ralenti. |
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