FR2754600A1 - Demonstration of Coriolis effect - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif rotatif, didactique et accessoirement ludique, permettant de mettre en évidence et mesurer l'accélération apparente résultant de la combinaison de mouvements et usuellement appelée accélération de Coriolis. Deux versions sont proposées, l'une à grande échelle où l'observateur pénètre dans le dispositif, mesure et constate in-situ les effets de l'accélération de Coriolis, autre à petite échelle où l'observateur est extérieur au dispositif, mesure et observe ces effets à l'aide d'une caméra et d'un accéléromètre qui sont placés dans le dispositif et qui tournent avec ce dernier. The present invention relates to a rotary device, didactic and incidentally fun, making it possible to highlight and measure the apparent acceleration resulting from the combination of movements and usually called Coriolis acceleration. Two versions are proposed, one on a large scale where the observer enters the device, measures and observes in situ the effects of Coriolis acceleration, another on a small scale where the observer is outside the device, measures and observe these effects using a camera and an accelerometer which are placed in the device and which rotate with the latter.
L'accélération de Coriolis est facile à exposer de façon théorique, sa mise en évidence expérimentale n'est en revanche pas aisée : l'effet est faible sauf à vitesse angulaire élevée - mais alors l'observation visuelle est difficile, d'autant que l'accélération centrifuge perturbe cette observation. The Coriolis acceleration is easy to expose in a theoretical way, its experimental demonstration is however not easy: the effect is weak except at high angular speed - but then the visual observation is difficult, especially as centrifugal acceleration disturbs this observation.
Le dispositif suivant l'invention permet de s'affranchir de ces difficultés. Il comporte, selon une première caractéristique, une pièce en rotation dont une partie au moins est en forme de paraboloïde de façon à compenser l'accélération centrifuge, ainsi qu'un accéléromètre qui prend appui sur celle-ci et peut se déplacer sur sa surface. The device according to the invention overcomes these difficulties. It comprises, according to a first characteristic, a rotating part of which at least part is in the form of a paraboloid so as to compensate for centrifugal acceleration, as well as an accelerometer which is supported on it and can move on its surface .
Selon des modes particuliers de réalisation - les mouvements de l'accéléromètre peuvent être engendrés par des servomoteurs commandés à distance. According to particular embodiments - the movements of the accelerometer can be generated by remotely controlled servomotors.
- une nacelle, mobile en translation selon l'axe du dispositif et pouvant être mise en rotation, peut permettre d'introduire un observateur à l'intérieur même du dispositif, en le faisant passer d'un niveau à l'autre indépendamment des vitesses de rotation relatives.- a nacelle, movable in translation along the axis of the device and being able to be rotated, can make it possible to introduce an observer inside the device itself, by passing it from one level to another regardless of the speeds of relative rotation.
- une caméra peut être installée à l'intérieur de la partie tournante du dispositif afin de transmettre à l'extérieur les indications de l'accéléromètre, en temps réel ou différé.- a camera can be installed inside the rotating part of the device in order to transmit the accelerometer indications outside, in real or delayed time.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description explicative qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins non limitatifs joints, dans lesquels - la figure 1 représente, en coupe, la version à petite échelle du dispositif selon l'invention. The invention will be better understood, and other objects, details and advantages thereof will appear more clearly in the light of the explanatory description which follows, given solely by way of example and made with reference to the accompanying non-limiting drawings. , in which - Figure 1 shows, in section, the small-scale version of the device according to the invention.
- la figure 2 représente, en coupe, la version à grande échelle du dispositif selon l'invention.- Figure 2 shows, in section, the large-scale version of the device according to the invention.
- la figure 3 représente, en coupe, le paraboloïde tournant qui équipe le dispositif.- Figure 3 shows, in section, the rotating dish which equips the device.
- la figure 4 est une représentation en perspective et en coupe d'une variante de la figure 3 avec un paraboloïde double, conçu pour deux vitesses de rotation wo et w'o.- Figure 4 is a perspective and sectional representation of a variant of Figure 3 with a double paraboloid, designed for two speeds of rotation wo and w'o.
- la figure 5 représente une autre variante de la figure 3, en perspective et en coupe, avec une partie plane et une partie en forme de paraboloïde.- Figure 5 shows another variant of Figure 3, in perspective and in section, with a flat part and a paraboloid-shaped part.
- la figure 6 décrit en vue de dessus un exemple de quadrillage pouvant utilement figurer, avec des couleurs variées, à la surface des pièces tournantes représentées sur les figures 3, 4 ou 5.FIG. 6 describes in top view an example of grid which can usefully appear, with various colors, on the surface of the rotating parts represented in FIGS. 3, 4 or 5.
- la figure 7 représente, en vue de face, un accéléromètre de type pendule.- Figure 7 shows, in front view, a pendulum type accelerometer.
- la figure 8 représente, en vue de dessus, un accéléromètre à bille maintenue par des ressorts.- Figure 8 shows, in top view, a ball accelerometer held by springs.
- la figure 9 représente, en vues de face et de dessus, un accéléromètre constitué de deux masselottes tenues par deux lames souples orthogonales. - Figure 9 shows, in front and top views, an accelerometer consisting of two weights held by two flexible orthogonal blades.
- la figure 10 schématise à titre d'exemple 3 possibilités de mise en rotation de l'observateur lors de son introduction dans la partie tournante du dispositif (évolution de la vitesse de rotation en fonction du temps).- Figure 10 shows schematically as an example 3 possibilities of rotation of the observer during its introduction into the rotating part of the device (evolution of the rotation speed as a function of time).
- la figure 11, en coupes de face et de dessus, représente une réalisation possible du dispositif d'introduction de l'observateur.- Figure 11, in front and top sections, shows a possible embodiment of the observer introduction device.
- la figure 12 représente en coupe une autre réalisation possible de ce même dispositif.- Figure 12 shows in section another possible embodiment of this same device.
- la figure 13 est une représentation schématique et en perspective d'un chariot support d'accéléromètre.- Figure 13 is a schematic perspective view of an accelerometer support carriage.
Avant de décrire de façon détaillée les deux versions du dispositif il convient de décrire deux éléments communs à ces deux versions, le paraboloïde et l'accéléromètre. Before describing in detail the two versions of the device, it is necessary to describe two elements common to these two versions, the paraboloid and the accelerometer.
Conformément à la figure 3, le paraboloide (1) a son axe vertical, I'ouverture dirigée vers le haut. Il est défini de façon que, lorsque la vitesse angulaire atteint sa valeur de référence wO, la résultante vectorielle R de l'accélération centrifuge C et de l'accélération de la pesanteur P soit en tout point normale à sa surface. En pratique, la surface pourra légèrement différer du paraboloïde parfait, de façon que ce soit la partie active de l'accéléromètre décrit ci-dessous qui se trouve être elle-même sur un paraboloïde parfait par la suite, le terme de paraboloïde intègrera cette possibilité de décalage. Une partie du paraboloïde peut être remplacée par une partie de paraboloïde calculée pour une vitesse angulaire w'0 différente de wO, selon la figure 4, ou par un secteur plan selon la figure 5. In accordance with FIG. 3, the paraboloid (1) has its vertical axis, the opening directed upwards. It is defined so that, when the angular velocity reaches its reference value wO, the vector result R of the centrifugal acceleration C and the acceleration of gravity P is at any point normal to its surface. In practice, the surface may differ slightly from the perfect paraboloid, so that it is the active part of the accelerometer described below which happens to be itself on a perfect paraboloid later, the term paraboloid will integrate this possibility offset. A part of the paraboloid can be replaced by a part of a paraboloid calculated for an angular speed w'0 different from wO, according to FIG. 4, or by a planar sector according to FIG. 5.
Pour faciliter les repérages, le paraboloïde et l'éventuel secteur plan peuvent comporter des bandes de couleur circulaires, radiales et en quadrillage, comme indiqué à titre d'exemple sur la figure 6 en vue de dessus.To facilitate location, the paraboloid and the possible flat sector may include circular, radial and grid colored bands, as shown by way of example in FIG. 6 in top view.
Le (ou les) accéléromètre (2) peut être réalisé de différentes façons, sans que sa conception influe sur la présente invention. Il doit mesurer l'accélération selon deux axes orthogonaux, soit directement soit par combinaison de deux accéléromètres à un axe. La lecture doit être de préférence visuelle pour une meilleure appréhension par l'observateur, mais elle peut être complétée par une mesure électrique ou électronique éventuellement transmise à distance et (ou) enregistrée sur un support quelconque. Un fluide visqueux pourra utilement amortir les oscillations de la masse mobile. Les trois modes de réalisation suivants sont donnés à titre d'exemples - un pendule (6), de préférence dans un cône ou une pyramide (7) à fond gradué, transparents, selon figure 7 en vue de face. The accelerometer (s) (2) can be produced in different ways, without its design influencing the present invention. It must measure acceleration along two orthogonal axes, either directly or by combining two accelerometers on one axis. The reading should preferably be visual for better understanding by the observer, but it can be supplemented by an electric or electronic measurement possibly transmitted remotely and / or recorded on any medium. A viscous fluid can usefully dampen the oscillations of the moving mass. The following three embodiments are given as examples - a pendulum (6), preferably in a cone or a pyramid (7) with a graduated bottom, transparent, according to FIG. 7 in front view.
- une bille (8) maintenue par quatre ressorts (9), dans un boîtier (10) gradué et transparent selon la figure 8 en vue de dessus.- a ball (8) held by four springs (9), in a housing (10) graduated and transparent according to Figure 8 in top view.
- deux masses (11) fixées à deux tiges souples (12) orthogonales dans un boîtier gradué (13), selon la figure 9 en vues de face et de dessus.- Two masses (11) fixed to two flexible rods (12) orthogonal in a graduated housing (13), according to Figure 9 in front and top views.
Dans sa configuration de base, le dispositif à grande échelle est réalisé selon la figure 2. In its basic configuration, the large-scale device is produced according to FIG. 2.
Son dimensionnement est, à titre indicatif, de l'ordre de grandeur suivant - diamètre 10 m.Its dimensioning is, for information, of the following order of magnitude - diameter 10 m.
- hauteur 10 m.- height 10 m.
- vitesse angulaire 1 rad/s. - angular speed 1 rad / s.
I1 est constitué de tout ou d'une partie des éléments suivants - un bâtiment (21), qui peut être totalement ou partiellement enterré, et qui comporte un plafond fixe (22). It consists of all or part of the following elements - a building (21), which can be totally or partially buried, and which has a fixed ceiling (22).
- un système d'entraînement (23), typiquement électrique ou électro-hydraulique. - a drive system (23), typically electric or electro-hydraulic.
- un palier inférieur (24).- a lower bearing (24).
- un palier supérieur (25) de grand diamètre, ménageant un passage important selon l'axe.- An upper bearing (25) of large diameter, providing a large passage along the axis.
- le paraboloïde (1) entraîné en rotation par le système d'entraînement (23).- the dish (1) driven in rotation by the drive system (23).
- un plateau plan (26) facultatif, lié au paraboloïde (1) et tournant avec lui.- an optional flat plate (26), linked to the paraboloid (1) and rotating with it.
- en variantes, le dispositif peut comporter deux paraboloïdes superposés et calculés pour deux vitesses angulaires wo et w'o, ou bien des secteurs de ces paraboloïdes selon la figure 4, ou bien un secteur plan et un secteur paraboloïde selon la figure 5.in variants, the device may comprise two superimposed paraboloids and calculated for two angular speeds wo and w'o, or else sectors of these paraboloids according to FIG. 4, or else a flat sector and a paraboloidal sector according to FIG. 5.
- un faux-plafond tournant (27) destiné à masquer le plafond fixe (22).- a rotating false ceiling (27) intended to mask the fixed ceiling (22).
- une partie cylindrique (28), qui peut comporter des panneaux semi-réfléchissants permettant, selon les conditions d'éclairage, de rendre la rotation apparente ou pas.- A cylindrical part (28), which may include semi-reflecting panels allowing, depending on the lighting conditions, to make the rotation apparent or not.
- un dispositif d'ascenseur rotatif destiné à introduire les observateurs (29) dans la partie tournante du dispositif principal, selon son axe et par le haut. Une nacelle cylindrique (30) peut traverser le palier supérieur (25); elle est déplacée verticalement et en rotation par un mécanisme d'entraînement (31). Sa mise en rotation jusqu'aux vitesses de rotation wo ou w o pourra être régulière ou irrégulière, selon l'une ou l'autre des courbes données à titre indicatif sur la figure 10. La nacelle (30) pourra être traversée par une tige (33) par exemple à section carrée ou crénelée, fixe verticalement et entraînant en rotation la nacelle, selon la figure 1 1 ; dans ce cas les déplacements verticaux peuvent être commandés par un câble (34). Afin de laisser entièrement libre la surface du paraboloïde, une autre réalisation selon la figure 12 consiste à suspendre la nacelle (30) à la tige (35) qui l'entraîne à la fois en rotation et en translation ; la tige (35) peut être utilement réalisée selon un dispositif télescopique.- a rotary elevator device intended to introduce the observers (29) into the rotating part of the main device, along its axis and from above. A cylindrical nacelle (30) can pass through the upper bearing (25); it is moved vertically and in rotation by a drive mechanism (31). Its rotation up to the speeds of rotation wo or wo may be regular or irregular, according to one or other of the curves given for information in FIG. 10. The nacelle (30) may be crossed by a rod ( 33) for example with square or crenellated section, fixed vertically and rotating the nacelle, according to Figure 1 1; in this case the vertical movements can be controlled by a cable (34). In order to leave the surface of the dish entirely free, another embodiment according to FIG. 12 consists in suspending the nacelle (30) from the rod (35) which drives it both in rotation and in translation; the rod (35) can be usefully produced using a telescopic device.
- un (ou plusieurs) accéléromètre (2); afin de conserver ses deux axes parallèles au plan tangent au paraboloïde au point concerné, il pourra être fixé à un chariot (32) schématisé sur la figure 13. Le chariot (32) peut être motorisé et télécommandé de façon à suivre des trajectoires précises, définies à l'avance, et à vitesse constante en projection horizontale. Il pourra également être muni d'un système de mesure de vitesse et d'accélération en vue d'une analyse à distance et (ou) différée.- one (or more) accelerometer (2); in order to keep its two axes parallel to the plane tangent to the paraboloid at the point concerned, it can be fixed to a carriage (32) shown diagrammatically in FIG. 13. The carriage (32) can be motorized and remote-controlled so as to follow precise trajectories, defined in advance, and at constant speed in horizontal projection. It may also be equipped with a speed and acceleration measurement system for remote and / or delayed analysis.
- différents systèmes de sécurité, notamment un accès de secours à l'intérieur du paraboloïde et des verrouillages de la porte de l'ascenseur.- various security systems, including emergency access to the interior of the dish and locks on the elevator door.
- des moyens de communication, par exemple par radio, entre l'observateur (29) et l'opérateur du dispositif.- means of communication, for example by radio, between the observer (29) and the operator of the device.
Le principe de fonctionnement est le suivant. La partie tournante étant à la vitesse de référence wo, l'observateur (29) est introduit au moyen de la nacelle (30). A l'aide de l'accéléromètre (2), il effectue des essais statiques puis dynamiques ; il peut pour cela suivre les lignes tracées au sol. L'emploi du chariot (32) pourra utilement faciliter les mouvements à vitesse uniforme dans le plan horizontal. De plus, les effets de l'accélération de Coriolis peuvent être mis en évidence de manière non quantitative mais spectaculaire: mouvements rapides des bras, sauts en longueur, lancers de ballon, utilisation d'une bicyclette... The operating principle is as follows. The rotating part being at the reference speed wo, the observer (29) is introduced by means of the nacelle (30). Using the accelerometer (2), it performs static and then dynamic tests; it can therefore follow the lines drawn on the ground. The use of the carriage (32) may usefully facilitate movements at uniform speed in the horizontal plane. In addition, the effects of Coriolis acceleration can be highlighted in a non-quantitative but spectacular way: rapid movements of the arms, long jumps, throwing ball, use of a bicycle ...
Dans sa configuration de base, le dispositif à petite échelle est réalisé selon la figure 1. In its basic configuration, the small-scale device is produced according to FIG. 1.
Son dimensionnement est, à titre indicatif, de l'ordre de grandeur suivant - diamètre 2 m.Its dimensioning is, for information, of the following order of magnitude - diameter 2 m.
- hauteur 1,5 m.- height 1.5 m.
- vitesse angulaire 3 rad/s.- angular speed 3 rad / s.
I1 est constitué de tout ou d'une partie des éléments suivants - un boîtier (41), si possible transparent, incluant un couvercle et un verrouillage de sécurité. I1 consists of all or part of the following elements - a housing (41), if possible transparent, including a cover and a safety lock.
- un système d'entraînement (42), typiquement électrique, susceptible d'intégrer un système de freinage.- a drive system (42), typically electric, capable of integrating a braking system.
- deux paliers, inférieur (43) et supérieur (44).- two bearings, lower (43) and upper (44).
- le paraboloïde (1); en variante, il peut comporter un secteur en forme de paraboloïde calculé pour une vitesse w'o, ou un secteur plan, selon les figures 4 et 5 respectivement; dans une autre variante, le paraboloïde peut être amovible, de façon à pouvoir le remplacer par un autre paraboloïde calculé pour la vitesse w'o, ou par un plateau plan.- the dish (1); as a variant, it may comprise a sector in the form of a paraboloid calculated for a speed w′o, or a flat sector, according to FIGS. 4 and 5 respectively; in another variant, the dish can be removable, so that it can be replaced by another dish calculated for speed w'o, or by a flat plate.
- une structure (45), support de la partie tournante ; elle peut typiquement être constituée d'un ou plusieurs cadres en aluminium ou par le prolongement cylindrique du paraboloïde (1), similaire à celui de la version à grande échelle.- a structure (45), supporting the rotating part; it can typically consist of one or more aluminum frames or by the cylindrical extension of the paraboloid (1), similar to that of the large-scale version.
- un accéléromètre deux axes (2), pouvant être monté sur roues ou sur billes pour faciliter ses déplacements.- a two-axis accelerometer (2), which can be mounted on wheels or on balls to facilitate its movement.
- une articulation équipée de deux servomoteurs (3) destinés à la commande à distance suivant deux directions des déplacements de l'accéléromètre (2).- an articulation equipped with two servomotors (3) intended for the remote control in two directions of the movements of the accelerometer (2).
- un bras télescopique (47) entraînant l'accéléromètre (2) tout en lui permettant de rester au contact du paraboloïde (1).- a telescopic arm (47) driving the accelerometer (2) while allowing it to remain in contact with the paraboloid (1).
- une caméra (4) suivant les déplacements de l'accéléromètre (2) et permettant l'observation à distance de ses indications ; elle est l'équivalent de l'oeil de l'observateur de la version à grande échelle.- a camera (4) following the movements of the accelerometer (2) and allowing remote observation of its indications; it is the equivalent of the eye of the beholder of the large-scale version.
- une masse mobile (49) destinée à maintenir l'équilibrage dynamique lorsque l'ensemble caméra (4) - bras télescopique (47) - accéléromètre (2) se déplace.- a moving mass (49) intended to maintain dynamic balancing when the camera (4) - telescopic arm (47) - accelerometer (2) assembly moves.
- des liaisons électriques, radioélectriques ou optiques entre les parties tournantes et fixes du dispositif.- electrical, radioelectric or optical connections between the rotating and fixed parts of the device.
- un ensemble (50) de contrôle - commande - visualisation - mesure, comprenant la commande de vitesse angulaire, la commande des déplacements de l'accéléromètre (2), la visualisation en temps réel et éventuellement l'enregistrement des images fournies par la caméra, la mesure à distance éventuelle de l'accélération. Cet ensemble peut utilement être piloté par un appareillage informatique, permettant notamment de programmer des vitesses de déplacement relatives rigoureusement constantes.- a set (50) of control - command - display - measurement, comprising the angular speed control, the control of the movements of the accelerometer (2), the display in real time and possibly the recording of the images supplied by the camera , the possible distance measurement of the acceleration. This assembly can usefully be controlled by computer equipment, making it possible in particular to program strictly constant relative travel speeds.
Le principe de fonctionnement est le suivant. La partie tournante est mise à la vitesse de rotation de référence wo ; au moyen de la caméra (4) et éventuellement des télémesures,
I'observateur externe au dispositif observe l'accélération indiquée par l'accéléromètre (2), d'abord en position statique puis lorsque l'accéléromètre (2) se déplace de façon rectiligne suivant différentes directions, avec une vitesse constante en projection sur le plan horizontal.The operating principle is as follows. The rotating part is set to the reference speed of rotation wo; by means of the camera (4) and possibly telemetry,
The observer external to the device observes the acceleration indicated by the accelerometer (2), first in a static position then when the accelerometer (2) moves in a rectilinear fashion in different directions, with a constant speed projected onto the horizontal plane.
Les applications du dispositif à grande échelle concernent les musées ou autres organismes de vulgarisation des sciences et des techniques, ainsi que les parcs d'attraction axés sur le futur - le déplacement dans la nacelle pouvant dans ce cas être assimilé à un voyage interplanétaire. Le dispositif à petite échelle trouve sa place dans les établissements d'enseignement. supérieur et les lycées ; il peut être utilisé en cours à titre de démonstration, ou sous forme de travaux pratiques à réaliser par les étudiants. Large-scale applications of the device concern museums or other popular science and technology organizations, as well as amusement parks focused on the future - displacement in the nacelle can in this case be assimilated to an interplanetary journey. The small-scale system finds its place in educational establishments. higher and high schools; it can be used in class as a demonstration, or in the form of practical work to be carried out by students.
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ST | Notification of lapse |