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Construire un Pendule de Foucault — Prouver la Rotation de la Terre avec un Poids Oscillant
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Astro

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Astro

30. mai 2026IS
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Construire un Pendule de Foucault — Prouver la Rotation de la Terre avec un Poids Oscillant

Le 3 février 1851, le physicien français Léon Foucault suspendit une sphère de laiton de 28 kilogrammes à un fil de 67 mètres sous le dôme du Panthéon à Paris et la mit à osciller. Au cours des heures, le plan d'oscillation du pendule s'est lentement tourné dans le sens des aiguilles d'une montre — non parce qu'une force la poussait latéralement, mais parce que la Terre elle-même tournait dessous. Le plan d'oscillation du pendule reste fixe dans l'espace (selon la première loi de Newton), tandis que le sol tourne en dessous. Au Pôle Nord, le sol effectuerait une rotation complète de 360 degrés en 24 heures; aux latitudes plus basses, la vitesse est plus lente, proportionnelle au sinus de la latitude. La démonstration de Foucault était la première preuve directe et visuelle que la Terre tourne — quelque chose longtemps acceptée théoriquement mais jamais observée en laboratoire auparavant. L'expérience causa sensation: Napoléon III ordonna une répétition au Panthéon, et en quelques mois des pendules de Foucault oscillaient dans des bâtiments publics dans toute l'Europe. Ce plan construit un pendule de Foucault fonctionnel avec une sphère lourde sur un long fil, un pivot de faible friction et un anneau de référence gradué, capable de démontrer la rotation de la Terre sur plusieurs heures.

Intermédiaire
5-10 heures

Consignes

1

Comprendre le Principe du Pendule de Foucault

Un pendule oscillant librement conserve son plan d'oscillation dans l'espace — c'est une conséquence de la première loi du mouvement de Newton. Si le pendule est suspendu au-dessus d'une surface tournante (la Terre), la surface tourne sous le pendule tandis que le plan d'oscillation reste fixe. Pour un observateur debout sur la Terre tournante, il semble que la direction d'oscillation du pendule tourne lentement. Au Pôle Nord, le plan du pendule semble tourner 360 degrés dans le sens des aiguilles d'une montre en 23 heures 56 minutes (un jour sidéral). À d'autres latitudes, la vitesse de rotation est 360 × sin(latitude) degrés par jour.
2

Sélectionner le Lieu et le Point d'Ancrage

Le pendule de Foucault nécessite le fil le plus long possible pour des résultats fiables — plus le pendule est long, plus sa période d'oscillation est longue, plus lentement il perd de l'énergie et plus clairement la rotation est visible. Une longueur minimale pratique est d'environ 5 mètres; 10–20 mètres est beaucoup mieux. Trouvez un point d'ancrage élevé: une cage d'escalier, une poutre de grenier, une poutre de grange, un grand arbre ou le plafond d'un bâtiment de plusieurs étages. Le point d'ancrage doit être complètement rigide — tout balancement ou vibration dans le support submergera la rotation subtile de Foucault.
3

Construire le Montage du Pivot

Le pivot est le composant le plus critique. Un pendule de Foucault doit osciller librement dans n'importe quelle direction, le pivot ne doit donc pas contraindre le plan d'oscillation. Un joint universel simple (deux charnières perpendiculaires) ou un pivot à point unique fonctionne bien. Le pivot le plus efficace et simple est un fin fil d'acier (fil de piano, environ 0,5–1 mm de diamètre) solidement serré en haut — le fin fil se plie librement dans toutes les directions sans introduire de plan préféré. Le fil doit être serré dans une console rigide boulonnée solidement à la poutre du plafond.
4

Préparer la Sphère du Pendule

La sphère doit être aussi lourde que pratique — Foucault en utilisa une de 28 kg. Une sphère plus lourde résiste mieux à la traînée aérodynamique et oscille plus longtemps. Utilisez un matériau dense: un grand poids en plomb ou en laiton, un conteneur rempli de sable ou une boîte remplie de béton. La sphère doit être symétrique autour de l'axe du fil — toute asymétrie cause la précession du pendule de manières qui imitent ou masquent la rotation de Foucault. Une sphère ou un cylindre symétrique fonctionne mieux. Fixez le fil exactement au centre supérieur de la sphère.

Matériaux pour cette étape :

Pendulum BobPendulum Bob1 pièce
5

Attacher le Fil

Utilisez du fil d'acier pour piano ou un fin câble d'acier pour le fil du pendule. Le fil doit être assez solide pour supporter le poids de la sphère avec une grande marge de sécurité (au moins 10 fois), assez fin pour se plier librement au pivot et assez rigide pour ne pas se tordre. Pour une sphère de 5–10 kg, un fil de piano de 0,5–1 mm suffit. Serrez fermement l'extrémité supérieure au pivot. Attachez l'extrémité inférieure à la sphère à l'aide d'une petite boucle à œil ou d'un trou percé à travers le haut de la sphère, en veillant à ce que la connexion soit parfaitement centrée et le fil pende exactement verticalement au repos.

Matériaux pour cette étape :

CordageCordage5 mètres
6

Construire l'Anneau de Référence

Sur le sol sous le pendule, placez un anneau de référence circulaire qui montre la direction d'oscillation du pendule. Un anneau d'environ 1–2 mètres de diamètre fonctionne bien. Marquez l'anneau avec des graduations de degrés tous les 5 ou 10 degrés (0–360). Vous pouvez utiliser une grande feuille de papier ou de carton, un cercle peint sur le sol ou un anneau de petits marqueurs. Le centre de l'anneau doit être directement sous le point de pivot. Marquez le nord vrai sur l'anneau à l'aide d'une boussole.

Matériaux pour cette étape :

Hardwood BlockHardwood Block1 pièce

Outils nécessaires :

ProtractorProtractor
Measuring RulerMeasuring Ruler
7

Lancer le Pendule Correctement

La technique de lancement est critique — le pendule doit osciller dans un seul plan, pas dans une ellipse. Tout mouvement latéral fait que la sphère trace un chemin elliptique, et l'ellipse précesse indépendamment de l'effet de Foucault, confondant la mesure. Pour lancer proprement: tirez la sphère d'un côté à l'aide d'une corde tendue attachée à un point fixe, maintenez-la immobile jusqu'à ce que toute oscillation s'arrête, puis brûlez la corde avec une allumette ou une bougie (ou coupez-la nettement). Cela libère la sphère sans poussée latérale. Foucault lui-même utilisa cette technique de brûlage de corde.
8

Observer et Enregistrer la Rotation

Après le lancement, observez la direction d'oscillation par rapport à l'anneau de référence. Enregistrez la direction d'oscillation tous les 15–30 minutes. À une latitude de 50 degrés nord, le plan d'oscillation tourne d'environ 11,5 degrés par heure dans le sens des aiguilles d'une montre (360 × sin(50 °) / 24 = 11,49 degrés par heure). Après une heure, la direction d'oscillation devrait s'être décalée d'environ 11 degrés; après trois heures, d'environ 34 degrés. La rotation est lente et régulière — c'est la Terre tournant sous le pendule.
9

Résoudre les Problèmes Courants

Si le pendule trace une ellipse au lieu d'une ligne droite, le lancement était impur — recommencez avec la technique de brûlage de corde. Si le plan d'oscillation tourne beaucoup plus rapidement ou lentement que prévu, vérifiez l'asymétrie dans la sphère (qui cause la précession mécanique), la friction ou la contrainte au pivot (qui force un plan d'oscillation préféré) ou les courants d'air (qui poussent la sphère latéralement). Une pièce avec des courants d'air ou une porte ouverte peut produire une rotation apparente bien plus rapide que l'effet de Foucault. Protégez le pendule des courants d'air et assurez-vous que le pivot est vraiment libre.
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Calculer et Vérifier la Vitesse de Rotation

La vitesse de rotation théorique est: degrés par heure = 15 × sin(latitude). À l'équateur (0°), le pendule ne tourne pas du tout. À 30° de latitude, il tourne à 7,5°/heure. À 45°, il tourne à 10,6°/heure. À 90° (le pôle), il tourne à 15°/heure (une rotation complète par jour sidéral). Comparez votre vitesse de rotation observée avec la vitesse prédite pour votre latitude. S'ils correspondent à quelques pour cent, vous avez démontré avec succès ce que Foucault prouva en 1851 — la preuve la plus élégante et la plus directe de la rotation de la Terre jamais conçue, ne nécessitant rien qu'un poids sur un fil et la patience de le regarder osciller.

Matériaux

3

Outils requis

2

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