• Toucher un objet qui n'existe pas et que vous ne voyez pas !

              Toucher de l’immatériel, que l’on ne voit pas, voilà qui aurait effrayé mes ancêtres. Aujourd’hui c’est possible grâce à des chercheurs britanniques de l’université de Bristol.

              Si l’on envoie, avec un appareil approprié des ultrasons sur la peau, par exemple d’un membre de notre corps, des vibrations sont perçues créant l’illusion d’une surface résistante ou en mouvement.
       
              Lorsque l’on utilise plusieurs sources sonores, de même fréquence (même hauteur de son, - la note -) et relativement ponctuelles, les ondes arrivant en un point se composent, en fonction de leurs phases, de la même façon que la lumière (voir mes précédents articles).
              En utilisant deux sources,le son est maximal aux points où la différence des distances est égale à une longueur d’onde, et, si la différence est d’une demi-longueur d’onde, le son est nul.
              On ne parle pas dans ce cas d’interférences, (bien que ce soit analogue au phénomène lumineux), mais "d’ondes stationnaires."
              La création d’un tel phénomène dans un tuyau est le principe de base de tous les instruments de musique « à vent ».

              Les chercheurs anglais ont crée un ensemble de générateurs ponctuels d’ultrasons,  analogues à ceux qui servent en échographie, qui peuvent créer de multiples points où le signal sonore est maximal ou nul, par interférence entre les ondes que créent les diverses sources.
              Si on pilote ces générateurs par un logiciel qui serait la représentation holographique de l’objet, pour la longueur d’onde de l’ultrason utilisé, (voir l'article d'hier), on peut provoquer alors dans l’air des maxima de pression sur une surface en 3D ayant la forme de l’objet.
              Evidement il faut obtenir cet hologramme adapté aux longueurs d’ondes sonores au lieu des longueurs d'ondes lumineuses.
              Pour cela on peut comme en holographie lumineuse, comparer le son reçu directement d’une source et celui réfléchi par les divers points de l’objet.
              Mais ces hologrammes dit « haptiques » (toucher en grec), sont moins précis et pour le moment, on ne sait modéliser que des formes simples (cubes, sphères, cônes…), mais évidemment des progrès vont être faits.
              Si on met la main à l’endroit de l’objet virtuel, les effets des ultrasons sur les terminaisons nerveuses de la peau, donnent l’illusion de le toucher
              Les chercheurs ont associé leur machine à un module de contrôle gestuel, afin de permettre au générateur d'ondes de s'adapter au positionnement et aux mouvements de la main de l’utilisateur, car comme il ne voit pas l'objet, il ne sait pas trop où mettre la main et il faut que la peau soit au bon endroit pour sentir la pression de l’objet virtuel.
              Le système d’essai est représenté dans le schéma ci dessous.

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/hologrammesonore.jpg
              Parmi, les applications envisagées, les chercheurs évoquent la possibilité de l'appliquer aux méthodes d'imagerie pour que le chirurgien puisse littéralement sentir une affection comme une tumeur sous ses doigts. Ou encore, une utilisation dans les musées qui permettrait aux visiteurs de toucher des objets exposés.
              J’en propose une autre, plus amusante, combinant l’holographie lumineuse et sonore.
              Je reproduis en sonore l’image haptique holographique d’un petit chien et à son extrémité l’image virtuelle visible de la queue du chien.
              Avec ma main je caresse l’image virtuelle sonore invisible du chien, et l’ordinateur déclenche une holographie vidéo de la queue, qui se met à remuer de plaisir, et la queue je la vois, bien que je ne vois pas le chien mais que je le sente sous mes doigts. LOL

    http://lancien.cowblog.fr/images/Caricatures4/chiencaresse.jpg

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  •      Avant hier, nous avons vu le principe des interférences lumineuses et hier celui de l’holographie, qui utilisait l’enregistrement d’interférences caractérisant l’objet en 3D, sur une plaque photographique à grain très fin.
        Aujourd’hui l’holographie est devenue numérique, avec le développement des ordinateurs et des capteurs solides de lumière
    . (CCD : dispositif à transfert de charges)

    Qu'est ce qu'un hologramme (3) Apport de l'informatique.       
          L'holographie optique et l'holographie numérique utilisent le même montage optique de création de l’hologramme. La différence tient au choix du capteur: 

            - dans le cas de l'holographie optique, l'intensité lumineuse est enregistrée par la plaque photosensible dont le coefficient de transmission par transparence, après développement, est proportionnel à l'intensité lumineuse enregistrée initialement.
            - en holographie numérique, on utilise un capteur solide de lumière CCD pour enregistrer l’intensité, lequel transforme la flux lumineux en courant électrique.
    Ce courant transformé en tension, est ensuite numérisé et enregistré sur ordinateur.

        La restitution est également différente :
            - l'holographie optique permet de faire des hologrammes visibles à l'oeil nu à condition d'être éclairés sous un même angle, par une lumière laser similaire à l'onde de référence. Une fois la plaque éclairée par l'onde de référence, le cristallin forme sur la rétine une image dont on sait mathématiquement calculer les propriétés (c’est un calcul classique de lentille convergente).
            - dans le cas de l'holographie numérique, on peut simuler avec un logiciel, ce que fait notre oeil naturellement. On calcule sur l’ordinateur l’image de l’objet que verrait l’oeil. On peut alors la stocker numériquement, la voir sur l’écran de l’ordinateur ou la projeter à partir d’un projecteur numérique. C'est ce qui se passera demain sur les smartphones qui pourront ainsi montrer des images holographiques qui donneront l'impression de voir en 3D.

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/Unknown.jpg

        On peut créer des hologrammes en couleur en enregistrant des hologrammes de l’objet avec des lumière de longueurs d’ondes différentes, correspondant au rouge, au bleu et au vert par exemple. En les mélangeant numériquement on peut alors avoir un hologramme de l’objet en couleur. (de façon analogue à l'impression par une imprimante couleur)
        Avec les progrès en capacité de calcul des ordinateurs, on peut enregistrer en temps réel l’hologramme de l’objet, à une fréquence vidéo. On peut donc avoir des images 3D d’un objet en mouvement à une vitesse compatible avec la vidéo.
        On a alors un hologramme de l’objet animé sous forme numérique. Un personnage peut ainsi apparaitre en 3D, comme s'il était présent et bouger, donner l'illusion de parler, faire des gestes appropriés : il faut évidemment synchroniser la parole

        Si cela vous amuse, vous pouvez aller sur Youtube à l’adresse :
    https://www.lemonde.fr/election-presidentielle-2017/video/2017/02/06/jean-luc-melenchon-apparait-en-meeting-sous-forme-d-hologramme_5075207_4854003.html
    pour voir le personnage en conférence à Lyon, et l'hologramme vidéo de sa conférence à Paris, qui donne l'illusion qu'il est en train de faire le même discours, présent sur la scène. (NB : je ne veux nullement faire de la publicité pour M Mélenchon, mais je pense que c'est une bonne illustration de l'utilisation possible d'holographies.) 

     

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  • Qu'est ce qu'un hologramme ? (2) Méthodes physiques.

         Je vais aujourd’hui, essayer de vous expliquer quel est le principe d’un hologramme et comment on les créait, il y a une cinquantaine d’années, quand les lasers ont été  relativement connus. C'est plus simple à comprendre car c'est de la physique pure. Demain on verra l'apport de l'informatique moderne.

      
      Pour réaliser l’hologramme, on va mélanger de la lumière cohérente, monochromatique, issue d’un laser, à la lumière réfléchie par un objet que l’on éclaire par la même lumière (cf. le premier schéma ci dessous)

        La lumière traverse d’abord un miroir semi transparent, pour se réfléchir sur un second miroir et être envoyée sur un film photographique, à travers une lentille, qui règle la dimension du faisceau. Ce sera le faisceau de référence.
        Une partie de la lumière réfléchie par le premier miroir est réfléchie vers un second miroir, qui l’envoie, après passage dans une lentille, éclairer l’objet à holographier.
        La lumière réfléchie par l’objet est envoyée alors vers le film photographique.
        Cette pellicule, dite holographique, est un film à grain très fin, parce qu’il va falloir différencier des éclairages à des distances de l’ordre de quelques micromètres sur la pellicule.

        Si l’on considère le rayon lumineux qui est réfléchi par un point de l’objet, et le rayon du faisceau de référence, qui arrive au même endroit, les distances parcourues ne sont en général pas les mêmes et selon les distances en cause, qui dépendent de la forme de l’objet, il y aura une certaine différence de phase entre les deux rayons lumineux.
        Si la différence de phase est nulle, on aura une luminosité maximale (les ondes s’additionnant - voir mon article d’hier), et si la différence est égale à une demi-longueur d’onde on aura une extinction du faisceau.
        Sur la pellicule photo, on va donc avoir un grand nombre de points plus ou moins lumineux, qui vont impressionner différemment l’émulsion photographique. On peut même accentuer le contraste au développement de la pellicule
        On a donc sur la pellicule développée, une « empreinte » de l’objet sous forme de points plus ou moins éclairés, et qui caractérise la forme en 3D de l’objet, avec une grande précision, puisque la différence significative de parcours entre deux points voisins au niveau de l’objet, qui donnent du noir ou du blanc sur la pellicule, est de l’ordre de la demi-longueur d’onde.( entre 200 et 400 nanomètres selon la couleur de la lumière visible utilisée.
    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/holographie.jpg
        Voyons maintenant comment on restitue l’hologramme. (deuxième schéma ci dessus).
        L’oeil de l’observateur se trouve derrière la plaque holographique, sans aucune lunette spéciale. On éclaire la plaque développée avec le laser, sous le même angle que lors de la prise de vue initiale. La plaque avec ses noirs et blancs, agit comme un filtre et laisse passer plus ou moins de lumière, et restitue donc les variations de lumière du faisceau incident issu de l’objet, et qui dépend de sa forme en 3D.
        L’oeil a donc l’impression de recevoir un faisceau virtuel provenant de l’objet et « voit » l’objet en 3D, qui flotte dans l’air. Comme l’objet est fait de points lumineux et non de matière, il scintille un peu et parait un peu fantomatique.

        On peut ainsi réaliser des truquages et le cinéma s’en est beaucoup servi, de même que des prestidigitateurs sur scène.
        Le système est quand même un peu complexe à réaliser et il était fait sans aucun moyen informatique.
        L’arrivée et les progrès de l’ordinateur, associé aux progrès des capteurs solides de lumière a bouleversé la technique, de telle sorte que les plaques holographiques ne sont plus utilisées.
        Mais c’est le meilleurs moyen d’expliquer le principe de l’holographie.


       Je vous expliquerai  demain succinctement l’apport de l’informatique, puis après-demain, pour piquer votre curiosité,  je vous montrerai que l’on peut réaliser des simulations, qui ne sont pas des hologrammes, mais s'inspirent de leur principe, non plus lumineux, mais sonores, et vous permettre de toucher avec votre main, un objet virtuel qui n’existe pas et que vous ne voyez pas !!
       

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  •      Peut être avez vous le souvenir de la campagne présidentielle au cours de laquelle Monsieur Mélenchon a prononcé deux discours dans deux villes différentes, en étant présent devant ses auditeurs, qui le voyaient parler. En réalité son corps de chair et d'os n'était présent qu'à un seul endroit. Dans l'autre ville son corps était une illusion grâce aux nouvelles technologies : un hologramme. C'était une première en matière d'utilisation politique des hologrammes !!! Je ne sais pas qui a eu cette idée géniale.


         Une de mes correspondantes avait demandé à son frère de lui expliquer ce qu'était une "holographie". Il lui a dit de demander à son professeur de physique, mais je ne pense pas que ce soit au programme des cours.
         Alors je vais essayer de vous expliquer cela, le plus simplement possible, mais, en trois articles pour que cela ne soit pas trop indigeste.
    Mais vous ne comprendriez pas, si vous n'avez pas étudié les interférences de lumière en terminale (et puis c'est peut être loin dans vos souvenirs).

        On va donc d’abord parler lumière et interférences, ainsi que lasers.

        Propriétés de la lumière :

        La lumière est constituée de photons qui transportent de l’énergie, mais on ne peut, en mécanique quantique, connaître de façon précise les caractéristiques d’une particule dans le temps et dans l’espace (parce qu’en voulant les mesurer on perturbe son mouvement).
        On ne peut donc connaître que des caractéristiques statistiques sur un grand nombre de photon, et ces valeurs sont décrites par les caractéristiques d’une « onde associée ».
        L’onde associée à la particule n’est pas matérielle comme les ondes sonores ou les vagues, il s’agit plutôt d'une entité mathématique, d’une onde porteuse d’information sur la probabilité de trouver a particule, (ici le photon),  en un point donné. Ainsi, la particule a une forte probabilité de se trouver à un instant donné, dans les zones de grande amplitude de l’onde, mais très peu de chances d’apparaître en des points où cette amplitude est nulle ou très faible.
     
     La lumière émise par un laser:

        La lumière « pure » d’un laser a quatre propriétés :
            - son intensité : c’est le nombre de photons émis et donc la quantité de lumière transportée par le faisceau.
            - son monochromatisme : les photons ont tous la même énergie. On peut l’associer à la fréquence ou longueur d’onde de l’onde associée. La lumière a une seule couleur précise.
            - la cohérence spatiale : elle correspond au départ de tous les rayons lumineux d’un seul point du fait que le rayon laser est très directif et très droit.
            - la cohérence temporelle ou « phase » : correspond à un départ simultané des rayons lumineux à partir de la source; donc en un point donné, les photos qui sont partis en même temps, arrivent en même temps : ils dont « en phase ».

        Arrivée en un point de deux groupes de photons.

        Supposons deux groupes de photons partis en même temps de la même source laser. Le comportement statistique de ces photons peut être représenté par celui de l’onde. L’intensité de la lumière transportée par chaque groupe, peut être représentée par une sinusoïde, dont la distance entre maxima d’intensité est égale à la longueur d’onde de la lumière (et donc fonction de sa couleur).

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/ondelumineuse.jpg
        Supposons que les deux groupes de photons aient parcouru le même chemin. Il arrivent en un point en même temps, et donc les ondes sont identiques et s’ajoutent (figure de gauche); on dit qu’elles sont « en concordance de phase ».
        Mais supposons que nous n’ayons pas fait subir le même chemin aux deux groupes et que la différence de chemin soit d’une 1/2 longueur d’onde. Les deux ondes sont alors « en opposition de phase », et elles se détruisent mutuellement. (figure de droite).

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/image010.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/image011.jpg

        Supposons un troisième cas où la différence de chemin est intermédiaire, les ondes se composent en fonction de cette différence ∂, et cette composition est toujours inférieure à celle maximale où les ondes sont en phase.
    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/image008.jpg
        Interférences lumineuses.

        Supposons deux sources lumineuses d’intensités voisines, de même longueur d’onde, et cohérentes (deux lasers par exemple mais accordés pour que les émissions soient simultanées). En fait on ne procède pas comme cela mais on utilise un laser unique éclairant 2 fentes S1 et S2 proches l’une de l’autre, mais assez éloignées de S.
    S1 et S2 jouent le rôle de sources cohérentes, c’est à dire qu’elles sont dans le même état vibratoire.

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/interferences.jpg
        De façon régulière on rencontre sur l’écran mis dans le champ d’interférences, des lignes verticales le long desquelles les distances et temps de parcours à partir des deux fentes sont identiques : la lumière est alors maximale
        De même on va trouver des lignes verticales où la différence de distance de parcours entre les deux faisceaux est égale à 1/2 longueur d’onde : la lumière est alors nulle.
        On a alors sur l’écran des « franges » analogues à la figure ci dessous à gauche.

    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/frangesfentes.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/200pxInterferenz.jpg




        Dans le cas où l’on utilise de petits trous au lieu de fentes fines, le phénomène est le même, mais la répartition des zones d’interférence est presque circulaire et plus compliquée du fait qu’il existe une distance entre les sources horizontalement, mais pas verticalement. Les franges ont l’allure de la figure ci dessus à droite.
        Ces figures sont appelées des franges de Young, physicien qui les a découvertes.
     
        Maintenant que nous savons ce que sont des interférences lumineuses, nous allons pouvoir expliquer ce qu’est un hologramme. Ce sera pour demain.

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  •      Je lisais il y a peu de temps un article sur les matériaux supraconducteurs et des progrès spectaculaires qui viennent d’être faits et qui sont susceptibles de changer certains aspects de notre vie.
        Mais il faudrait peut être que je vous explique simplement ce que sont ces matériaux.

        Vous vous rappelez sans doute qu’on vous a appris au lycée qu’à une température de - 273,15 d°C, , appelé « zéro absolu », l’agitation thermique des molécules dans les gaz cessait totalement et la matière est dans son état minimal d’énergie, toutes ses éléments (atomes, molécules) étant dans leur état fondamental.
        On constate alors à l’approche de cette température, des propriétés particulières de certains matériaux : des fluides tels par exemple l’hélium perdent toute viscosité (c’est la « superfluidité ») et des métaux ou alliages perdent leur résistance électrique (c’est la « supraconductivité »)

        A l’intérieur d’un matériaux semi-conducteur, à l’approche du zéro absolu, tout champ magnétique est repoussé (en présence d’un champ magnétique externe, il n’ya plus de champ magnétique à l’intérieur du supraconducteur), et la résistance électrique devient nulle.

        On explique ce phénomène par des calculs de mécanique ondulatoires que je ne saurais vous expliquer, mais on peut le schématiser sous la forme suivante.
        Dans la structure cristalline du matériau métallique, les électrons circulent, mais étant chargés négativement, se repoussent mutuellement.
        Par contre le réseau cristallin est constitué d’ions positifs qui attirent l’électron. En fait l’attirance est mutuelle, mais les ions sont lourds et appartiennent à un réseau et donc la déformation due à cette attirance est faible. Les électrons qui vont passer engendrent des attirances successives et une vibration du réseau cristallin (voir la figure ci-dessous).
        Au dessous d’un seuil de température critique (très bas), deux électrons soumis à ces vibrations qui forment une zone électriquement positive, peuvent exceptionnellement s’attirer et former une paire stable : les paire d’électrons de Cooper qui va se comporter comme une particule unique spéciale. Cette particule est dotée de propriétés différentes d’un électron et son déplacement ne crée plus de champ magnétique et se déplace sans rencontrer la moindre résistance.
        Mais si la température s’élève l’apport d’énergie détruit les paires de Cooper et le phénomène de supra-conductivité cesse.

        L’intérêt d’un supraconducteur est qu’on peut le faire parcourir par des courants énormes (puisqu’il n’y a pas de résistance et d’effet Joule). L’inconvénient est qu’il faut maintenir les éléments en cause à une température proche du zéro absolu, ce qui est difficile et coûteux et ne peut concerner que des éléments de taille limitée.
    Actuellement l’application la plus fréquente est la réalisation d’électroaimants très puissants, utilisés principalement en imagerie (IRM) et dans des accélérateurs de particules. Des recherches sont faites dans le domaine de la fusion nucléaire (voir mes articles sur les tokamak et ITER ( 18 et 19/05/2019) et quant  à la sustentation magnétique de trains sur u n rail porteur.

         Des progrès spectaculaires viennent d’être faits en découvrant des supraconducteurs ne nécessitant que des températures plus faibles et l’on espère un jour, en trouver qui seraient supraconducteurs à température ambiante..
    En 1993, des « cuprates » étaient supraconducteurs jusqu’à -131 d°C. C’étaient des produit complexes contenant du cuivre, de l’oxygène et divers autres éléments.
        Depuis 2015, divers hydrures métalliques ont été étudiés, notamment des hydrures de lithium qui pour être fabriqués nécessitent une pression énorme de 130 GPa (1300 atmosphères). Depuis des hydrures comprenant du soufre ou du lanthane ont été essayés; avec ce dernier élément la supra-conductivité disparaissait vers - 13 d°C, la température d’un congélateur domestique.
        Les applications seraient très importantes, notamment en matière de transport de l’électricité dans des câbles, sans effet joule, donc sans perte d’énergie et de stockage de l’énergie dans une bobine conductrice, reliée au réseau, dans laquelle les électrons stockés peuvent en quelque sorte, tourner en rond, avant d’être à nouveau rela^chés dans le réseau.électrique.
        Des applications en matière de lévitation des trains sur un rail ou de transport des énergies sur les caténaires serait également prometteuses.
       


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