Leçon 1 physique 2








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3/ acteurs

Pascal

Newton, Copernic, Galilée mouvement des planètes

Descartes
4/ sciences dures & enjeux politiques ,

4a/ exemples d’enjeux politiques par variable scientifique

temps :

- l’horloge : l’heure, début et fin du travail, par exemple en 1700 l’empereur de Chine était le maitre de l’heure de toutes les horloges sur tout le territoire

Longtemps les heures de la journée ont été découpées en tranches égales (les « heures ») du lever au coucher du soleil, durée qui aujourd’hui va de 8H l’hiver à 16H l’été. Dans nos régions tempérées, la durée des « heures » variait donc du simple au double au fil des saisons.

- le calendrier : les saisons, pour les agriculteurs, dates pour semer, planter, récolter)

- les transports : le mouvement des étoiles, s’orienter, caravanes dans le désert, …
surfaces :

géométrie, par l’arpentage (triangulation) pour les impôts et les valeurs (prix du terrain),
chiffres :

Pour dimensionner les propriétés immobilières (terrains) ou mobilières (troupeaux, récoltes), pour la mort (stocks d’armes) ou pour la vie (stocks de grains contre les famines), et pour alimenter la puissance centrale dans l’assiette des impôts puis leur collecte (récolte) …

- base 10 (doigts), 7 (jours de la semaine),12 (heures, mois), 60 (minutes, degrés / angles). Les incas comptaient en base 60.

- la base12 faciliterait les calculs car a davantage de diviseurs (2,3,4,6), mais la base 10 (seulement 2 et 5 en diviseurs >1) a été retenue et résiste en corps car l’esprit est chair (10 doigts aux pieds & aux mains)
matériaux :

- pierre, bronze, fer = les 3 grands âges avec 1-âge de pierre (taillée de mieux en mieux), puis 2-âge du bronze puis 3-âge du fer (de la fonte à l’acier) … dont 4-poudre (& chimie), 5-vapeur, 6-électricité, pétrole 7-nucléaire …

- coton (plantes), soie (vers), laine (moutons)
technologies … et techniques,

Quand les progrès, très conséquents pour le quotidien, ne s’appuient pas sur la recherche mais sur le développement

L’histoire des techniques est toute une branche de l’Histoire de l’humanité. Ce n’est pas l’histoire des sciences mais l’histoire de leurs applications.

Cazr invention, application et diffusion sont trois étapes scientifiques distinctes dont les occurrences peuvent être séparées en siècles et en continents.
exemples de techniques, invention puis diffusion de :

- armes de jet = propulseur, (sarbacane), arc, arbalète …

- tissus = tissage (vêtements pour se vêtir, voiles de bateau, tentes pour l’habitat …), filets (pêche)

-
énergies = énergie mécanique + énergie potentielle (exemple gravité) + lumière (ondes ou particules) + énergie électrique + énergie chimique + énergie atomique + physique des particules …
énergie mécanique : la principale source d’énergie des civilisations jusqu’à très récemment (XVIIIième siècle) a été humaine (serfs, esclaves, paysans …) et animale (animaux domestiques tels ânes, mulets, lamas, buffles, chevaux & bœufs), avec un très faible apport par les éléments tels l’eau (moulin à eau) ou l’air (moulins à vent)

Ils ont depuis été remplacés par vapeur, électricité, pétrole.
L’économie différencie les énergies primaires (eau, air, combustibles fossiles) et énergies secondaires (après transformation d’une énergie primaire pour en faciliter l’usage, telle l’électricité).
énergie thermique : d’abord surtout animale : crottes humaines et des animaux domestiques, végétale (bois) et fossile (charbon)
les 3 états de la matière = 1-solide (froid) / 2-liquide / 3-gazeux (chaud)

la température de changement d’état d’un corps pur
les corps = corps simple (H2 = hydrogène) + corps pur (H2O = eau) + corps composé

un corps composé peut être homogène (air = 79% N2 azote + 20% O2 oxygène + 1% divers) ou hétérogène (= PAS homogène, exemple une plante).

autre exemple de corps plus ou moins homogène, en pétrochimie le pétrole brut (après extraction, avant raffinage) = alcènes (CnH2n, tels méthène, éthène, propène, butène … et alcanes (CnH2n+2) tels méthane (CH4) + éthane (C2H6) + propane (C3H8) + butane (C4H10) + essence + gazoil + fuel lourd + bitumes.
5/ sciences molles & enjeux politiques, exemples

- religions

- medias

- économie

- sociologie

- anthropologie

- politique

….
VI – les Unités de mesure
1/ critères de pertinence pour une variable,

1/ large, en territoire d’applications = (autant que possible) générale, pas spécifique, pour un usage le plus large possible, omniprésente :

exemple = séparer « un mouton + un mouton » en «  1 + 1  …appliqué aux moutons ». Ainsi séparer les moutons de leur dénombrement produit un outil (ce « 1 + 1 ») aux mille autres applications.

2/ connectée, par des liens simples = corrélations simples avec d’autres variables pertinentes

exemple : position, vitesse, accélération

3/ universelle, son fonctionnement (en observations, prévisions, manipulations) ne dépend PAS de l’utilisateur (observateur)
2/ les unités de mesure, détails sur le système MKSA

- MKSA = Mètre (unité de longueur), Kilog (unité de masse), Seconde (unité de Temps), Ampère.

- M = Mètre étalon (= hier 1/10 millionième d’un quart de tour de la terre, où par définition la Terre a 40 000 km de tour !), devenu longueur d’onde, unité pour la position (sur les 3 dimensions Ox, Oy, Oz)

- K = Kilog, kilogramme = 1 000 grammes (kilo = mille) , unité pour la Masse, donc pour l’énergie.

… tous deux, mètre et kilog, avec persistance d’unités anciennes par secteur d’activité (le poids en carat pour les diamants, le volume en barril pour le pétrole ou en stères pour le bois, …)

- S = Seconde, hier pendule étalon (à Paris, sous les jardins de l’observatoire, dans un puits très profonds lié aux andiennes carrières de construction de la capitale), devenue fréquence d’un élément repère

- A = Ampère, intensité électrique en coulombs (unité de charge électrique) / seconde : A = C/S.

- températures, échelle en degrés, linéaire entre solidification (glace) et évaporation (vapeur) de l’eau :

- c Celsius : … par définition de cette échelle de températures (Celsius) au niveau de la mer l’eau gèle à 0°C et se vaporise à 100 °C,

- k Kelvin : le zéro absolu, et les intervalles Celsius, 0°K = -271°C et 100°C = 371°K. k = c + 271

Par définition de l’échelle Kelvin, aucune température ne peut être inférieure à 0°K puisque c’est le niveau d’énergie nulle.
Les unités de mesure anglaise sont un constant émerveillement de créativité de complexité, certes utile à renforcer une royauté en empêchant le peuple de trop facilement calculer donc comprendre :

  • températures : f Fahrenheit, où 0°C = 32°F, et 100°C = 212°F, donc +1,8°F = +1°C f = 1,8c + 32 c

  • longueurs : 12 pouces dans 1 pied, 3 pieds pour 1 pas – un yard -, 2 000 yards pour 1 mile nautique mais 1 760 yards pour 1 mile terrestre,

  • poids : 14 pounds dans 1 stone … ,

  • monnaies : hier 12 pennies dans 1 shilling, 20 shilling pour 1 livre anglaise mais 21 shilling pour 1 livre écossaise,

Les choix scientifiques sont très politiques, de leur conception à leurs conséquences, pour affaiblir ou renforcer la puissance de la civilisation qui les utilise.

VII – quelques Variables principales & modèles,

Lois de la nature & équations fondamentales, début

(suite = leçons suivantes)
A - variables

1/ temps

variable 4 : t, le Temps, à partir d’un pendule de référence, d’abord de fabrication humaine (dans les sous-sols des jardins de l’observatoire à Paris), puis atomique (le rayonnement d’un élément référend)

2/ position, vitesse, accélération

variable1, 2, 3 : la Position,

sur un axe Ox, x = mesure de la distance au point défini comme origine

sur trois axes Ox, Oy, Oz : tout repère orthonormé (Ox, Oy, Oz) identifie la position de tout point M de l’espace par ses trois coordonnées (x, y, z)

variable6 : la Vitesse, variation de la position par unité de Temps, v = dx/dt,

variable7 : accélération,  = dv/dt, donc aussi  = d2x/d2t,

en vecteurs se lit sur les 3 axes simultanément,

x = d2x/dt2 = dvx/dt , y = d2y/dt2 = dvy/dt , z = d2z/dt2 = dvz/dt

3/ force, travail, énergie, puissance

variable8 : la Force, F, force = masse x accélération. F = m par définition,

territoire : mécanique (statique&dynamique)

variable 5 : le Travail, W (W = work in english)

W = force x déplacement dW = Fdx par définition,

l’ Energie, E = stock de travail, donc même quantité que le travail, exemples :

E = mgh (énergie potentielle, exemple barrage d’eau)

E = 1/2mv2 (énergie cinétique, exemple chute des corps)

variable 9 : Puissance, P : puissance = énergie / temps, P = dE/dt = variation de l’énergie (= énergie fournie = énergie consommée) par unité de temps.

exemple (énergie électrique) : P = RI2 = UI , car U = RI (tension = résistance x intensité)

exemple 220Volts (tension de l’électricité domestique) x 30Ampères (intensité du courant, un choix d’abonnement au disjoncteur EDF) = 6 kiloWatts (maison « moyenne »)

4/ corps, molécule, atome, particule

Physique

Chimie

Atomique, Mécanique quantique

Corps (hétérogènes ou homogènes)







Corps purs (composés ou simples)







Molécules

Atomes

particules




Dans ce territoire (= la chimie), les atomes (= les 100 éléments du tableau de Mendéléev) restent inchangés, les molécules se transforment (= réaction chimique)

Ici les atomes se transforment = réaction atomique (le plomb devient or !)

Energies physiques

Energies chimiques

Energies atomiques


5/ solide, liquide, gazeux

= les 3 états (phases) d’un corps :

Le changement d’état de tout corps pur se fait à température constante qui ne dépend que de la pression

Variable / phase ->

Solide

Liquide

Gazeux

Température

Froid

intermédiaire

Chaud

Pression

Faible

intermédiaire

haute

B - lois & équations

calcul1 : énergie cinétique,

équation (= résultat d’un simple calcul, à partir des définitions préalables) E = ½ m v2

démonstration : nommons E l’augmentation d’énergie de l’immobilité (v = 0) jusqu’à la vitesse v,

or par définition l’énergie est le travail stocké : E = somme (= intégrale) des Fdx = Fdx,

avec F = mdv/dt et dx = v . dt

donc mvdv d’où (calcul maths) = 1/2mv2

territoire : mécanique

domaine de validité : quand v est très petit devant c, c'est-à-dire quand la masse peut être considérée comme constante, car mv= m0 / racine de (1 – v2/c2)

loi1 : conservation de l’énergie,

« rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » ( ? Lavoisier)

équation : exemple transformation énergie gravité en énergie cinétique mgh = ½ mv2

application : chute des corps (Galilée, observation des vitesses en bas d’une pente).

équation : exemple transformation de la masse en énergie E = mc2 (Einstein)

territoire : mécanique

VIII – leçons suivantes

programme = pioche, ici avec des « fautes » (exercice : trouvez les fautes, et envoyez les à brunomv@hotmail.fr avec leur corrigé, merci !), ici aide-mémoire pour approfondissements par l’animateur (après 40 ans d’oubli) au fil des rythmes, choix et demandes des étudiants.
Les leçons suivantes sont d’autres promenades dans ces territoires mathématiques, physique et chimie,

pour y dé-couvrir d’autres exemples de variables, lois « de la nature » et équations fondamentales.
temps, le pendule : T = 2 L/g … M application : le pendule de Foucault
gravité, la chute des corps :

mgh = ½ mv2

F = m mg = mM/d2

E = F L , conservation de l’énergie => énergie potentielle = énergie cinétique,

l'énergie potentielle s’y transforme en énergie cinétique

(moins les frottements qui la transforment en énergie thermique)

le couple

applications : le levier (d’Archimède), le mouvement des planètes (Newton et la surface constante),
triangulation (géométrie) la taille de la terre, le puits d’Alexandrie,
microbes, bactéries, pénicilline, vaccins (Pasteur)
principe d’Archimède (physique), «eureka» (= j’ai trouvé, Archimède), la densité des corps, flottaison
levier d’Archimède « donnez moi un levier et je soulèverai le monde » (Archimède)
conservation de l’énergie « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » ( ? Lavoisier, ou Laplace). L’énergie totale ne change pas, mais l’énergie individuelle change de forme (= de nature) : énergie cinétique, énergie thermique, énergie électrique …

L’énergie potentielle est un autre concept, qui représente l’énergie stockée (et restituable, y compris sous d’autres formes).
principe de Carnot (?2ième) principe de la thermodynamique, asymptote du rendement du cycle vapeur
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