• 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.
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        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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  • http://lancien.cowblog.fr/images/Image4/11191333.jpg
        La presse parle beaucoup d’un nouveau radar routier le « mesta-fusion », construit par la société IDEMIA, filiale de SAFRAN, qui va remplacer les radars anciens détruits par les gilets jaunes.
        Avant d’examiner les performances de ce nouveau radar, voyons quel est le principe de fonctionnement d’un radar de mesure de vitesse.

        L’effet Doppler-Fizeau. Mesure de vitesse.

        Supposez que vous soyez immobile face à l’océan qui vous envoie régulièrement des vaguelettes par exemple une toutes les douze secondes, c’est à dire à une fréquence de 5/mn.
        Maintenant vous marchez vers les vagues. Vos vitesses s’ajoutent puisque vous allez à la rencontre l’une de l’autre et vous recevez une vague par exemple toute les 10s c’est à dire 6 fois par minute.
        Lorsque vous allez au devant d’elle, le fréquence de l’onde « vagues » a donc augmenté (5 à 6/mn).
        Si vous vous éloignez d’elles, les vagues mettront plus de temps à vous atteindre et le fréquence diminuera.
    http://lancien.cowblog.fr/images/Image4/220pxDopplereffectdiagrammaticsvg-copie-1.png     Supposez maintenant que vous soyez dans une voiture qui émet un sifflement à fréquence constante. Vous percevez un son dont la hauteur (la note de musique) correspond  à la fréquence de l’émetteur du son et vous vous déplacez à la même vitesse que la voiture.

        Supposez que la voiture vienne à une certaine vitesse vers un piéton. Nous serons dans la même situation que précédemment pour les vagues, et la fréquence du son va être (pour de piéton immobile), plus élevée. Le son qu’il percevra sera plus aigu que ce que vous entendez.
        Puis la voiture passe devant lui et s’éloigne. La fréquence va diminuer / Le son deviendra plus grave pour le piéton et sera plus grave que ce que vous entendez dans la voiture, sans vitesse par rapport à elle.
   

        Imaginons maintenant un radar qui envoie un paquet d’ondes de fréquence donnée dans la direction d’une voiture et qui écoute le signal des ondes réfléchie par cette voiture.
        Si la voiture est immobile, la fréquence de l’onde réfléchie sera la même.
        Si la voiture vient vers le radar, la fréquence de l’onde réfléchie sera plus grande que celle de l’onde incidente
        Si la voiture s’éloigne du radar, la fréquence de l’onde sera au contraire plus faible.
       La mesure de la différence de fréquence entre l'onde émise et celle retournée, permet de calculer la vitesse de la voiture.

        Pour effectuer cette mesure on superpose l’onde réfléchie à l’onde incidente. Comme les deux fréquences sont voisines, la superposition des deux provoque ce que l’on appelle un battement, c’est à dire une modulation périodique, qui passe par des maxima et des minima, et qui permet de calculer la différence de fréquence, donc la vitesse.

        Rappelons qu’un accordeur d’instrument de musique se sert de ce battement qu’il entend si la fréquence de son diapason est différente de celle de la vibration de l’instrument, battement qui disparaît s’il règle cette vibration à la même fréquence que son diapason
    Notons aussi que l’effet Doppler est utilisé en médecine pour mesurer la vitesse du sang dans les artères et les veines.

    Le radar de contrôle routier « Mesta fusion ».

        Les radars actuels avaient un faible angle de mesure et on ne pouvait mesure la vitesse que d’un seul véhicule vers lequel il pointait son faisceau, et d’autre part disposé au bord de la route, du fait de l’angle de son faisceau par rapport à la trajectoire du véhicule, la vitesse de celui-ci était sous-estimée.
        Les progrès des radars et de l’électronique rapide, permettent maintenant de construire des radars avec un champ beaucoup plus large, qui peuvent observer la position du véhicule toutes les millisecondes.
        Un tel radar peut donc observer plusieurs véhicules à la fois, dans des files différentes et non seulement connaître leur vitesse, mais aussi leur trajectoire, avec des corrections d’angle de mesure et donc avec une bonne précision.

    http://lancien.cowblog.fr/images/Image4/coverr4x3w10005ca384045f903radartourelle.jpg

        Le radar de contrôle routier « Mesta fusion » pourra surveiller, de jour comme de nuit,  en même temps 32 véhicules sur ! voies différentes et ceci à une distance de 100m de part et d’autre (s’approchant ou s’éloignant). Il pourra différencier les voitures, camions, motos… Sa marge d’erreur est d’environ 1%, de 0 à 300 km/h.
        Il est en outre associé à une caméra haute définition. Il peut donc visualiser le visage du conducteur et ce qu’il fait, et il pourra détecter les infractions suivantes..
            Non-respect de la limitation de vitesse;
            Feu rouge ou stop brûlé
            Dépassement interdit:
            Non-respect des distances de sécurité;
            Utilisation du téléphone portable au volant       
            Absence de la ceinture de sécurité (conducteur et passagers).
    Il a été homologué pour le moment pour relever les deux premières infractions.

        Ce radar a une structure originale :
        Son antenne est au sommet d’une « cabine » un petit pylône de 4 m de haut, ce qui permet d’avoir une vue dégagée de loin. A cette hauteur, ils sont moins vulnérables.
        En outre pour faire baisser la facture, le gouvernement envisage d’installer 6000 cabines, mais dont 4 resteraient aléatoirement vides, 1200 radars n’équipant qu’un cabine sur 5, mais en étant déplécé de temps à autre, de telle sorte que l’usager de la route ne sache pas quelle est la cabine dans laquelle il y a un radar de mesure.
        Son déploiement devrait se faire d’ici 2020, pour une centaine de millions d’euros.

        Une belle machine à PV.

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  •            Je viens de lire un article « cocorico » de « Titibike by Ecovélo », sur un vélo à hydrogène français, dont les journaux ont parlé fin 2018 et début 2019.

    Avez vous déjà vu un vélo à hydrogène ?

                Il vante d’abord les avantages de ce vélo :
     

               Le vélo à hydrogène de la société Pragma dispose d’une autonomie de 100 km (contre 50 km en moyenne pour un vélo électrique). Ces qualités qui le différencie d’un vélo standard peuvent justifier son prix actuel de 7 500 € (objectif : 3 500 € prix public en 2020,
               La station de recharge ne consomme que de l’eau et produit de l’hydrogène pour l’énergie des vélos, et c’est donc une technologie très respectueuse de l’environnement.
               Le temps de rechargement est de seulement 2 minutes ! Ce n’est rien en comparaison des 2 heures nécessaires pour recharge un vélo électrique standard.

                C’est la société française Pragma Industrie, basée à Biarritz, qui produit ces vélos d’un nouveau genre fonctionnant à l’hydrogène.
                Ces vélos à hydrogène seront d’abord testés et mis en service à Cherbourg, dans la Manche. Lesvélos seront utilisés par les touristes au printemps ainsi que par le personnel d’un hôpital et d’une entreprise privée. Seul bémol, cette expérimentation a un coût certain : plus de 700 000 € pour 10 vélos sur 3 années et demie.

                Et notre journaliste ajoute : « Un petit cocorico est de mise, car cette technologie française est une première mondiale. Bravo à Pragma pour cette belle réalisation ! »
                Et bien non monsieur le journaliste : renseignez vous avant d’écrire : La société japonaise Iwatani a présenté à l'exposition de Tokio 2010, un prototype de vélo électrique, chargé d'une pile à combustible à la place du porte-bagages arrière, d'une puissance de 60 watts, non encore pour le commercialiser, mais pour démontrer l'intérêt de cette solution technique.

               Je ne sais pas si vous savez ce qu’est une “pile à combustible”. Alors je vais vous l'expliquer rapidement : C’est en quelque sorte un bac à électrolyse qui fonctionne à l’envers.

    Avez vous déjà vu un vélo à hydrogène ?

               On injecte de l’hydrogène à l’anode et de l’oxygène à la cathode, et on a l’inverse d’une électrolyse de l’eau : on produit de l’électricité et de l’eau. En quelque sorte on brûle catalytiquement de l'hydrogène, sans flamme bien sûr et il faut évacuer la chaleur produite, sous forme d'énergie électrique.
               C’est une vieille invention car elle date de 1840, mais les premières piles vraiment opérationnelles datent de 1960 et ce sont encore des appareillages chers et pas très fiables, la principale difficulté étant la sécurité du stockage d’hydrogène, sous très haute pression pour en avoir suffisamment dans un faible volume, et qui détone à l’air libre s’il est enflammé. Il faut trouver un moyen de le stocker autrement qu'à l'état gazeux dans un réservoir.
                L’électrolyte solide acide ou alcalin est constitué par de fines membranes en polymères, rendus conducteurs, séparant les deux électrodes. Ces polymères contiennent du platine (rare, polluant et coûteux) qui sert de catalyseur de la réaction.
               Il semble que des solutions autres aient été mises au point avec des polymères particuliers (polysulfones), avec une cathode (côté oxygène) en argent et une anode (côté hydrogène) en nickel plaquée de chrome 

    Avez vous déjà vu un vélo à hydrogène ?

               La pile conçue par Iwatani, d'un poids de 1,1 kilogramme produit de l’électricité sous 30 à 35 volts et charge une petite batterie au lithium-ion de 4 ampères-heures qui alimente le moteur en 26 volts. 
               
     L'hydrogène est stocké sous la forme d'un hydrure métallique, en l'occurrence un alliage de titane et de zirconium, contenu dans un boîtier en plastique de 750 grammes, d’ un volume d'un quart de litre  Il contient 7 grammes d'hydrogène, soit autant qu'un volume de 80 litres d'hydrogène gazeux à la pression atmosphèrique “normale (0°C).

               Ce petit réservoir prend la forme d'une cartouche aisément détachable, qu'il suffit donc de changer pour repartir , et qui permettrait de produire de l'électricité pendant trois heures.
               Ce vélo original, de 31 kg, peut ainsi rouler sans l'aide des mollets du cycliste durant 45 kilomètres. 

               Le prototype n’était, en 2010 qu'à l'état de démonstration et, par rapport aux vélos électriques traditionnels, le prototype était lourd et peu puissant.    
               
    La société japonaise Iwatani qui produit de nombreux matériels à usage ménager, notamment de cuisson, voulait surtout montrer que sa pile à combustible  fonctionnait bien et qu'elle était suffisamment légère pour s'adapter à toutes sortes d’utilisations.
               
    J’ai trouvé des photos d’un prototype plus récent, mais je n’ai pu trouver d’information sur internet, quant à une commercialisation ultérieure de ce vélo.

    Avez vous déjà vu un vélo à hydrogène ?

    japonais.

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