Musée des arts et métiers

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LE PENDULE DE FOUCAULT
«Vous êtes invités à venir voir tourner la Terre, dans
la salle méridienne de l’Observatoire de Paris.»
Conservatoire National
des Arts et Métiers
Musée National
des techniques
292, rue Saint-Martin 75003
PARIS
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Collections
Le pendule de Foucault
■ Pendule de Foucault, 1851
LES OBJETS DE FOUCAULT AU MUSÉE DES ARTS
ET MÉTIERS
Sphère d’acier de 19 kg
ayant servi aux premières
expériences de Foucault
dans sa cave rue d’Assas.
Inv. 8224
Don de Mme Léon
Foucault mère en 1869
■ Pendule de Foucault, 1855
Ce pendule fixé à la voûte
de la chapelle du Musée
est celui qui fut installé
à l’Exposition universelle
de 1855.
Inv. 8042
Don de Mme Foucault
mère en 1869
Musée des arts et métiers
En mécanique :
- L’APPAREIL ÉLECTROMAGNÉTIQUE permettant d’entretenir le mouvement du pendule.
Inv. 8043
- L’APPAREIL DE SYLVESTER permettant de représenter la
rotation apparente du plan d’oscillation du pendule
sous différentes latitudes.
Inv. 8044
- LE GLOBE TERRESTRE sur lequel figurent les orientations
successives du plan d’oscillation du pendule.
Inv. 8045
- LE GYROSCOPE de Léon Foucault, par DumoulinFroment, avec ses accessoires.
Inv. 7688 (1 à 3)
En optique :
- L’APPAREIL DE FOUCAULT pour la mesure de la vitesse
de la lumière. Inv. 10177
- LA SOUFFLERIE AVEC DIAPASON servant à cet appareil
et construite par Dumoulin-Froment. Inv. 10178
- LE MIROIR DE TÉLESCOPE, attribué à Léon Foucault,
ainsi que le grand polarisateur,
par J. Duboscq. Inv. 9009
■ Boule du pendule du Panthéon
Cette boule a servi à la
fameuse expérience réalisée au Panthéon en 1851.
C’est une sphère d’une
masse de 28 kg constituée
d’une enveloppe de laiton
renfermant du plomb ;
elle était fixée à l’extrémité d’un fil de 67 m de longueur et de 14/10 mm de
diamètre.
Inv. 12658
Entrée dans les collections
en 1894
Pour d’autres travaux :
- LE RÉGULATEUR À CONTACTS. Inv. 1591
- L’ENREGISTREUR À CYLINDRE avec régulateur de
Foucault, par Breguet. Inv. 8985
- LE RÉGULATEUR DE FOUCAULT.
Modèle de J. Digeon. Inv. 11730
- LES APPAREILS D’INDUCTION DE FOUCAULT.
Inv. 7403 et 13275
- L’INTERRUPTEUR À MERCURE DE FOUCAULT
pour bobine d’induction. Inv. 16151
- UNE PHOTOGRAPHIE DAGUERRIENNE DU SOLEIL.
Inv. 17551.
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Histoire
Le pendule de Foucault
L’HISTOIRE DU PENDULE
« Vous êtes invités à venir voir
tourner la Terre, dans la salle
méridienne de l’Observatoire
de Paris. » C’est en ces termes
que Léon Foucault avait rédigé le carton d’invitation qui
conviait les personnalités
scientifiques de l’époque à
Musée des arts et métiers
assister à l’expérience de son
pendule, le 3 février 1851. La
nouvelle que Léon Foucault fit
connaître officiellement à
l’Académie des Sciences de
Paris ce 3 février, provoqua
une grande émotion.
Nul ne doutait que la Terre
tournât, mais jamais aucune
expérience n’avait eu le caractère saisissant d’une démonstration comme celle de
Foucault, qu’il s’agisse des
preuves fournies par l’astronomie ou des expériences délicates sur la chute des corps.
Celles-ci, exécutées sur de
grandes hauteurs, devaient
indiquer un écart du point de
chute vers l’est par rapport à
la verticale du point de
départ, mais elles se soldèrent
toutes par des échecs.
Foucault aiguisa la curiosité
du monde scientifique de
l’époque. En quelques jours, le
mathématicien J. Binet avait
construit une théorie analytique de l’expérience de
Foucault. Le 10 février 1851, il
L’expérience du pendule au Panthéon en 1851
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Histoire
Le pendule de Foucault
présenta son Mémoire à
l’Académie des sciences dont il
était membre : «L’Académie a
entendu, avec beaucoup d’in-
LE PENDULE DANS L’HISTOIRE DES SCIENCES ET
DES TECHNIQUES
térêt, la communication que
lui a faite M. Arago d’une
belle expérience exécutée par
M. Foucault : son objet est de
montrer qu’un pendule simple
■ Foucault et ses contemporains
et libre, mis en oscillation dans
un plan déterminé, ne conser-
1840 Goodyear (E.-U.) découvre la vulcanisation du
caoutchouc.
1847 Krupp (Al.) fabrique des canons en acier fondu.
1854 Sainte-Claire Deville (F.) met au point une méthode de
production industrielle de l’aluminium.
1855 Bessemer (G.-B.) invente le convertisseur pour la production en masse de l’acier.
ve pas l’orientation de ce
plan.»
Foucault renouvela son expérience au Panthéon en mars
Musée des arts et métiers
1851 à la demande du prince
Bonaparte.
La hauteur du dôme du
Panthéon permit à Foucault
d’utiliser un pendule de
67 mètres. Avec une telle longueur, la période d’oscillation
■ Foucault et ses précurseurs
(temps mis par le pendule
pour effectuer un aller et un
Antiquité et Moyen Âge
Le géocentrisme domine : la Terre est au centre de
l’Univers ; Ptolémée (140).
Renaissance
L’héliocentrisme remplace le géocentrisme (les planètes
tournent autour du Soleil) : tour du monde de Magellan
(1519), Copernic (1543), Galilée (1610).
Ère moderne
Newton et le principe de l’attraction universelle (1687).
Ère contemporaine
Laplace : premier ouvrage de mécanique céleste (étude
des mouvements et des forces régissant les planètes du
système solaire, (1796). L’héliocentrisme s’impose en
France.
Foucault (1851) démontre expérimentalement le mouvement de la Terre établi par la mécanique céleste.
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retour) est très élevée (environ
16,5 secondes). La rotation
effectuée par la Terre pouvait
être suivie à chaque période
en observant l’évolution des
traces laissées par la pointe de
la sphère dans un banc de
sable humide. Cette rotation
équivalente à la déviation du
plan d’oscillation du pendule
était de un degré en cinq
minutes. Les oscillations
s’amortirent environ en
6 heures, le plan d’oscillation
avait dévié d’à peu près 70° .
Foucault reprit son expérience
lors de l’Exposition universelle
de 1855, les oscillations
étaient alors entretenues par
un appareil électromagnétique.
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Comment ça marche
Le pendule de Foucault
LE FONCTIONNEMENT DU PENDULE
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■ Observons le pendule.
A Paris, le plan
d’oscillation du
pendule pivote
apparemment de
11° en 1 heure
Suspendue à la voûte de la chapelle du
Musée par un fin câble d’acier, une lourde
sphère de métal se balance imperturbablement. A sa partie inférieure, une pointe
permet d’en suivre la trajectoire et de repérer, par rapport au cadran horaire de la
table, la déviation angulaire que cette trajectoire subit au fur et à mesure que le temps s’écoule. Si
vous observez la position du plan d’oscillation du pendule
entre deux instants séparés d’une heure, vous constaterez
que celui-ci semble avoir pivoté d’un angle d’environ 11°.
■ Êtes-vous bien sûr que ce soit le pendule qui
ait tourné ?
La table repose sur le sol ; vous-même, observant le pendule, êtes immobile par rapport à la table. Vous en
concluez, bien évidemment, que c’est le plan d’oscillation
du pendule qui a pivoté de 11° en une heure. L’illusion
est parfaite, mais ce n’est qu’une illusion. Souvenonsnous que, par cette expérience, Foucault voulait démontrer sans ambiguïté que la Terre tournait. Pour mieux
comprendre, imaginez que vous ayez pris place dans un
satellite immobile dans l’espace. De là-haut, vous apercevez la Terre, Paris et l’édifice de la chapelle qui tournent
autour d’un axe qui passe par les pôles Nord et Sud. La
table du pendule et les personnes qui observent le pendule sont entraînées dans le même mouvement de rotation. Par contre, si vous observez le pendule, vous constatez que, lorsque la Terre tourne, son plan d’oscillation ne
pivote pratiquement pas. La qualité d’un pendule est en
effet de ne pas suivre le pivotement de son support, aussi
permet-il de mesurer, dans le temps, la rotation que ce
support, ici la chapelle, donc la Terre, a effectuée par rapport à son plan d’oscillation. L’angle de 11° que vous
aviez mesuré correspond, en fait, à la rotation de la
table, donc de la Terre, par rapport au plan d’oscillation
du pendule, lequel a conservé sensiblement la même
direction. Sans vous en apercevoir, c’est vous qui, avec la
Terre, avez tourné par rapport au pendule.
Le plan d’oscillation du pendule conserve sensiblement
la même direction . Ce sont
la Terre et le spectateur qui,
dans l’espace, ont tourné.
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Comment ça marche
Le pendule de Foucault
■ La preuve !
Réalisez un petit pendule que vous placerez sur une table
et lancez-le dans une direction donnée. Ensuite, faites
tourner lentement son support en laissant sa base en
appui sur la table. Vous pourrez constater que la direction
de son plan d’oscillation demeure constante, quel que soit
l’angle dont vous faites pivoter le support.
■ Dans quel sens semble tourner le plan
d’oscillation du pendule de Foucault ?
Musée des arts et métiers
Tom-Tit, La science amusante, 2e série, 1891
Le plan d’oscillation du pendule est fixe dans l’espace ; la
Terre et nous-mêmes tournons par rapport à celui-ci. Nous
avons donc l’impression que le pendule pivote dans un
sens de rotation inverse à celui de la Terre, soit dans le
sens des aiguilles d’une montre.
■ La rotation de la Terre mesurée par un pendule est-elle la même en tous les points du globe?
Observez le cadran horaire de la table du pendule. En
24 heures, soit lorsque la Terre effectue un tour complet
autour de son axe, la rotation de la table par rapport au
pendule est d’environ trois quarts de tour, plus exactement de 267°. Mais cette valeur n’est vraie que pour un
pendule situé à Paris. En un autre point du globe, elle
sera différente. Elle augmente avec la latitude, c’est-à-dire
la distance à laquelle se situe le pendule par rapport à
l’équateur.
Ainsi, un pendule placé à l’équateur n’indique, lorsque la
Terre tourne, aucune variation d’orientation de son plan
d’oscillation par rapport au cadran de la table. Par contre,
un pendule situé au pôle effectue, par rapport à la table,
un tour complet en 24 heures. La valeur de cet angle A
peut être calculée précisément en appliquant la loi des
sinus : A = 360° x sin (angle de latitude).
Au Panthéon, où la latitude est de 48°50’49’’, on a :
A= 360° x sin 48°50’49’’= 271°.
Le plan d’oscillaton
d’un pendule
demeure invariable
lorsque l’on fait
tourner son support.
La rotation apparente
du plan d’oscillation
augmente avec l’angle
de latitude.
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Le pendule de Foucault
FOUCAULT L’INVENTEUR DU PENDULE
■ Un autodidacte de
génie
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Foucault, né le 18 septembre 1819 à Paris, est
mort jeune, à 48 ans.
«Rien dans son enfance
n’annonçait qu’il dût être
illustre un jour ; il était
d’une santé délicate, d’un
caractère doux, timide et
peu expansif.» Ainsi, le
physicien Lissajous, ami
intime de Foucault, le
décrivait-il. Réfractaire
aux études académiques,
il n’en deviendra pas
moins membre de
l’Institut. Dès treize ans, il
commence à construire
des objets scientifiques.
D’abord un bateau, puis
très vite un télégraphe,
enfin une machine à
vapeur. Le cap du baccalauréat franchi, il s’inscrit
à la faculté de médecine,
pour renoncer bien vite à
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cette carrière. Sensible, il
a du mal à supporter la
vue du sang ! Bien que
dépourvu d’une réelle culture mathématique, il
deviendra physicien. Ses
facultés d’autodidacte lui
permirent de devenir un
expérimentateur de génie.
Nous lui devons, entre
autres, un régulateur pour
lampe à arc voltaïque, des
travaux sur les daguerréotypes et sur l’induction
dans les masses métalliques en mouvement, la
détermination expérimentale de la vitesse de la
lumière. En optique, il
apporta des perfectionnements à la construction
des télescopes. En mécanique, ses découvertes
sont non moins importantes. À la démonstration
physique de la rotation de
la Terre, il faut ajouter
l’invention du gyroscope.
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Le pendule de Foucault
■ Foucault le scientifique et Froment le
constructeur : un dialogue fécond.
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Il serait injuste en parlant de Foucault de ne pas citer PaulGustave Froment, constructeur d’instruments scientifiques,
dont Foucault écrivait : «C’était à désespérer du succès si
nous n’eussions connu dès longtemps M. Froment, dont la
main sûre et la légèreté ont déjà réalisé tant de merveilles. » Si, finalement, la postérité ne retiendra que le
nom du scientifique, ce technicien sut par son savoir-faire
réaliser les appareils imaginés et commandés par Foucault.
Sorti de l’école Polytechnique, il travailla également
auprès de savants comme Arago, Pouillet, Fizeau,
Lissajous.
POUR EN SAVOIR PLUS
Recueil des travaux scientifiques de Léon Foucault,
publié par Madame veuve Foucault, Paris, Gauthier-Villars,
1878.
• Rédaction et schémas : Serge Picard
• Coordination : Élisabeth Drye
• Conception graphique :
Agnès Pichois,
Atelier Michel Bouvet,
sur une idée de Olivier Delarozière
• Photos :
Musée des arts et métiers
• Musée des arts et métiers,
Service éducatif
292, rue Saint-Martin - 75003 Paris
Tél. : (1) 40 27 27 52
ou 40 27 26 40
• ISBN : 2-908207-34-6
Acloque P., Oscillations selon Foucault,
Paris, Ed. du CNRS, 1981.
Deligeorges S., Foucault et ses pendules,
Paris, Ed Carré, 1990.
Hagen (le Père J.G.), La rotation de la Terre,
ses preuves mécaniques anciennes et nouvelles,
Rome, 1911.
Foiret J., Jacomy B., Payen J.,
Le pendule de Foucault au Musée des arts et métiers,
Musée des arts et métiers, Paris, 1990.
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Fiche pédagogique
Le pendule de Foucault
Musée des arts et métiers
■ Un pendule de Foucault à domicile
Vous pouvez vérifier, chez vous, que la Terre tourne. Comme
Foucault, dans sa cave rue d’Assas, nous adopterons un pendule
de 2 mètres de longueur. La sphère sera une lourde boule de
pétanque que l’on fixera à l’une des extrémités du fil. Celui-ci
sera en nylon, d’une résistance suffisante. L’autre extrémité du fil
sera solidement fixée au plafond. On prendra la précaution de
placer sur celui-ci un émerillon afin que la torsion du fil ne vienne pas perturber le mouvement du pendule (dans un magasin
d’article de pêche on trouvera les éléments appropriés). Le lancement du pendule est une opération délicate. Il convient de ne
pas générer de mouvements parasites qui empêcheraient le pendule d’osciller dans un plan unique. Procédez comme au Musée :
attachez la sphère par un fil de coton à un support fixe (par
exemple un meuble) après l’avoir écartée suffisamment de la verticale. Lorsque celle-ci est immobile, brûlez le fil de coton. Dès les
premières oscillations, repérez, avec précision, la direction du
plan décrit par le pendule. Refaites cette même opération
quelques dizaines de minutes plus tard. Vous constaterez que le
plan d’oscillation du pendule a subi une légère rotation (environ
6° pour 30 minutes).
Et comme Galilée vous pourrez enfin dire : «Eppur si muove» (Et
pourtant elle tourne). Bonne chance !
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Fiche pédagogique
Le pendule de Foucault
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Prix : 10 F
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