Certains de mes lecteurs savent que lorsque je travaillais, il y a une trentaine d'années, il m’est arrivé de piloter de petits avions  et que donc je connais les procédures de navigation aérienne.
     Ils m’ont demandé comment on sait où l'on est lorsque l'on se trouve au dessus des nuages, et comment on atterrit par brouillard.
    Je vais donc essayer de vous expliquer (le plus simplement possible, ce qui n’est pas si simple que cela ), comment se passe un  atterrissage par temps bouché, selon l’équipement dont dispose l’aéroport et l’avion qui va atterrir.
    Je suppose que tous les instruments fonctionnent et qu’il n’y a pas de panne (notamment électrique), ni sur l’aéroport, ni sur l’avion.
    Mais ces instruments, il faut d’abord les connaître ! Ce sera l'article d'aujourd'hui, l'atterrissage ce sera pour demain.

    De quoi dispose t’on sur un petit avion pour renseigner le pilote. (Sur les gros appareils de ligne il y a les mêmes mais en plusieurs exemplaires) ?

    De certains instruments qui servent tout au long du voyage :
    D’abord, des appareils qui mesurent divers paramètres concernant le fonctionnement de l’avion : divers renseignements sur la marche du moteur, sur la position des gouvernes (sur le bord des ailes et sur l’empennage arrière), du train d’atterrissage (s’il est rentré ou sorti et verrouillé), ou des volets de freinage aérodynamique (de combien sont ils sortis?), le niveau de carburant dans les divers réservoirs etc....

    Puis des éléments quant à la situation de l’avion dans l’air et par rapport au sol : son altitude donné en général par un appareil (un altimètre), qui mesure la différence de pression de l’air par rapport à celle au sol (qu’on a étalonné au départ) ou sur les avions plus importants, par une sonde altimétrique radio.
    Un autre appareil, le badin, indique sa vitesse par rapport à l’air environnant à partir de petits tubes qui mesurent la pression dynamique de l’air sur leur extrémité.



    On dispose souvent également d’un appareil (un variomètre), qui mesure la variation d’altitude, c’est à dire la vitesse du déplacement vertical (en mètres par minute ou le plus souvent en pieds par minute).

    Et grâce à un appareil gyroscopique, un cadran que l’on appelle “l’horizon artificiel”, indique la position de la trajectoire l’appareil (dans un “trièdre trirectangle” dont il serait le centre O, comme en maths, le plan Oxy étant horizontal et oz vertical). On sait ainsi si l’avion est en train de virer, qu’elle est alors son inclinaison par rapport à l’horizontale, et s’il est en train de monter ou de descendre et alors quel est son angle de montée ou de descente. Ces données sont indispensables, car il y a des limites à ne pas franchir pour que l’avion continue à voler en sécurité.
    Dans le langage des pilotes, on dit qu’on connait l’inclinaison et l’assiette de l’avion.






    Enfin des instruments de navigation.
    D’abord un “compas “ qui est une simple boussole magnétique, qui a l’avantage de fonctionner même en cas de panne électrique et elle donne le cap de l’avion par rapport au nord. (photo de gauche)
    Puis des instruments radio qui captent les émissions de “balises radio-émettrices” situées sur le territoire de chaque pays. On dispose d’atlas indiquant les paramètres de ces balises et on règle l’appareil au fur et à mesure qu’on se déplace, sur une balise derrière soi et une devant soi, et l’appareil indique l’angle de votre route par rapport à la droite qui joint la position de l’appareil à la balise, et la distance à celle ci.
    Evidemment en fin de parcours on se règle sur la balise de l’aéroport où l’on veut atterrir et l’angle indiqué doit être nul et on connaît la distance qui reste à parcourir.
    Passer au dessus d’une balise est également intéressant car l’angle bascule très rapidement de zéro (elle est devant) à 180 d° (elle est derrière) et on peut ainsi situer l’instant de passage en un endroit précis où se trouve la balise.



    On se sert en permanence d’un chronomètre avec des points de repères permettant d’évaluer les distances parcourues (en fonction de sa vitesse) et donc l’endroit où on est, avec toutefois une certaine erreur car la vitesse que l’on connaît est celle par rapport à lair et non par rapport au sol.(il faudrait donc corriger de la vitesse du vent). Un vent de travers, vous fait aussi dériver de voitre route.

    Ceci c’était la façon de naviguer que j’ai connue, il y a 20 ou 30 ans.
    Mais depuis 20 ans la navigation est devenue beaucoup plus simple, grâce aux satellites et à des GPS très précis, qui vous donnent votre position à quelques mètres près, directement sur la carte ! Plus la peine de se fatiguer et de réfléchir lool.

    Enfin vous êtes en permanence en contact radio avec une tour de contrôle, au départ celle du terrain d’envol, puis des tours le long de votre parcours (qui doit être déclaré à l’avance), et enfin avec celle du terrain d’atterrissage. Ces tours surveillent votre déplacement en permanence.

    Par ailleurs vous ne pouvez pas faire ce que vous voulez en l’air.
    Quand vous avez déposé votre plan de vol, vous pouvez demander à voler à basse altitude, en vol “à vue”. (on appelle cela VFR : visual flight rule).
    Mais certains couloirs aériens de descente des gros aéroports vous sont interdits, de même que le survol des grandes villes ou de zônes sensibles. Et vous devez alors assurer votre sécurité vis à vis d’autres avions en regardant bien autour de vous, pour ne pas couper la route d’un autre petit avion, navigant aussi à vue.
    Pour savoir où vous êtes, vous pouvez vous servir de vos instruments de navigation, mais aussi reconnaître l’endroit au dessus duquel vous volez, si vous connaissez bien la région et que vous y êtes habitué (ce n’est pas aussi facile que l’on croit, car on n’a pas l’habitude de voir ainsi le sol d’au dessus)
    Mais vous pouvez aussi naviguer en “vol aux instruments” (IFR instruments flight rule)), avec ceux que j’ai décrit précédemment et qui permettent de se repérer même si vous ne voyez pas la terre parce que vous êtes au dessus de nuages.
    Toutefois un petit monomoteur n’a pas le droit, pour des raisons de sécurité en cas de panne, de voler au dessus des nuages. Il faut avoir deux moteurs ou réacteurs pour pouvoir le faire.
    Le point délicat (si les nuages sont bas) est alors de descendre à travers les nuages jusqu’à ce que vous voyez la terre (c’est ce qu’on appelle faire la “percée”), car on ne voit pas au dessus de quoi on est. On descend en général sur un endroit dégagé, par exemple au dessus de la mer si l’aéroport est près des côtes.

    Maintenant vous savez ce dont dispose en général un pilote d’avion pour le renseigner et lui permettre de se guider.
    Demain nous verrons comment se passe un atterrissage, en fonction de certains équipements spéciaux qui se trouvent à terre sur la tour de contrôle ou sur votre avion.

     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)

       
      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.



    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.) 

     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.

    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 !!
   

     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).


    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).

    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.

    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.


    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.






    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.

     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.