Question centrale

Comment les ondes sismiques peuvent-elles être enregistrées ?

Matériel requis

Sismographe personnel n° 1

• Un livre assez gros, de type manuel scolaire par exemple
• Un morceau de ficelle solide d'environ 2 m de long
• Un crayon bien aiguisé
• Du ruban adhésif (ruban cache, si possible)
• Plusieurs feuilles de papier
• Un porte-bloc, facultatif
• Un ruban élastique large, facultatif
• Une petite table facile à soulever
• Un assistant

Sismographe personnel n° 2

• Plusieurs feuilles de papier
• Un crayon bien aiguisé
• Un support dur sur lequel écrire, comme un porte-bloc ou un grand livre
• Des pinces ou du ruban adhésif pour fixer le papier au support (sauf si vous utilisez un porte-bloc à pince)
• Un véhicule (bus ou voiture) pour circuler sur un chemin avec des ornières

Un peu de matière et d’idées avant de commencer les expériences

• Les sismographes sont des instruments qui enregistrent les ondes sismiques. Leur fonctionnement est basé sur le principe d'inertie.
• Ce principe d'inertie stipule, en partie, que tout objet immobile tend à rester immobile. Il est expliqué dans la première Loi de Newton.
• Un sismographe se compose d'un outil de traçage et d'une surface d'écriture. L'outil de traçage est accroché au bout d'une masse suspendue, alors que la surface d'écriture est posée sur un support en contact avec le sol.
• Lorsqu'un séisme se produit, les ondes sismiques qui sont alors propagées font vibrer la surface de la terre. Et ce sont ces vibrations qui déplacent la surface d'écriture.
• Toutefois, la masse suspendue, elle, n'est pas impactée par les vibrations. C'est son inertie qui l'empêche de bouger. Ainsi, l'outil de traçage, relié directement à la masse suspendue, reste relativement droit et fixe.
• En vibrant sous l'outil de traçage, la surface d'écriture crée une ligne irrégulière qui reproduit les ondes sismiques.

Dans l'expérience du premier sismographe, c'est le manuel suspendu par la ficelle qui fournit une inertie au crayon attaché à l'autre bout. La table représente la surface de la terre et les feuilles de papier, la surface d'écriture du sismographe. Et le tremblement de terre est provoqué, bien sûr, par la personne qui secoue la table.

Dans l'expérience du second sismographe, la voiture (ou le bus) roulant sur la route cahoteuse représente les secousses de la terre pendant le séisme. Le bras tendu tenant le crayon représente la masse suspendue, et la feuille de papier posée sur les genoux, la surface d'écriture du sismographe. Enfin, les lignes irrégulières tracées correspondent aux ondes produites par les bosses ou nids-de-poule rencontrés sur le chemin.

Conseils sur le déroulement de l'expérience

Sismographe personnel n° 1

• La table doit être suffisamment légère pour qu'un élève puisse facilement la soulever et la secouer.
• Vous pouvez varier l'intensité des secousses en ajoutant des chocs brusques et des moments de pause.
• Entraînez-vous tout d'abord à tracer quelques lignes de contrôle avant de commencer l'expérience. Elles serviront ensuite de point de comparaison avec les lignes tracées pendant les secousses.
• Assurez-vous que la ficelle est suffisamment solide pour supporter le poids du livre.
• Fermez le livre avec du ruban adhésif ou un élastique pour éviter qu'il ne s'ouvre et fausse l'expérience.

Sismographe personnel n° 2

Donnez les consignes suivantes aux élèves avant qu’ils commencent l'expérience :

• Placez la feuille de papier et le support sur vos genoux et maintenez-les avec votre main libre.
• Posez les deux pieds bien à plat sur le sol pour que votre feuille soit la plus horizontale possible.
• Essayez de tracer une ligne droite, en appuyant légèrement sur la mine du crayon.
• Dessinez votre ligne en un seul trait de crayon : elle doit être la plus régulière possible.
• Le bras qui tient le crayon ne doit pas être soutenu ni reposer sur un support quelconque. Tenez-le également éloigné du corps.
• Surtout, laissez-vous guider, ne rajoutez pas exprès des zigzags sur votre ligne.
• Essayez également de dessiner sans regarder votre feuille. Dès que vous avez atteint le bas de la feuille, replacez le crayon en haut de la feuille, prêt pour la ligne suivante, ou changez de feuille si celle-ci est déjà remplie.
• N'hésitez pas à ajouter des notes sur l'endroit et le type de route sur laquelle vous roulez (bosses, nids-de-poule, etc.), cela peut être très utile, surtout si vous changez plusieurs fois de chemin.
• Lorsque le véhicule est à l'arrêt ou sur une surface plane, entraînez-vous à tracer des lignes de contrôle. Elles serviront ensuite de point de comparaison avec les lignes tracées sur les chemins cahoteux.
• Certains facteurs, comme la vitesse, les coups d'accélération et de décélération et les virages, peuvent influencer la forme de vos lignes. Pour des résultats plus précis, attendez que le véhicule ait atteint une vitesse constante avant de tracer vos lignes.
• Les routes normales, bien entretenues, n'offrent pas de résultats intéressants, même en passant sur quelques dos d'âne, en particulier si la voiture possède de bons amortisseurs. Les routes pavées ou en très mauvais état, avec ornières et nids-de-poule à volonté, sont beaucoup plus efficaces !
• Il n'est pas nécessaire de rouler vite. Nos meilleurs résultats ont été obtenus à une vitesse de 30 km/h sur un petit chemin de campagne.
• N'oubliez pas de demander l'autorisation avant d'emprunter des voies privées.

Discussion

Sismographe personnel n° 1

1. Que vous disent vos lignes sur l'intensité avec laquelle la table a été secouée ? …Et sur la durée des secousses ?
2. Comparez les lignes tracées lorsque la table a été secouée perpendiculairement à la ligne de contrôle avec celles tracées avec des secousses parallèles. Qu'observez-vous ?
3. Les lignes présentent-elles une irrégularité uniforme du début à la fin ? Expliquez comment.

Sismographe personnel n° 2

1. Quelles informations pouvez-vous tirer de vos lignes sur le type de route rencontré ? D'après le dessin de vos lignes, où se sont produites les plus grosses bosses ?
2. Selon vous, que se serait-il passé si le véhicule avait roulé plus vite ? Moins vite ? Pourquoi ?
3. Selon vous, que se serait-il passé si vous aviez réalisé l'expérience sur une route moins cahoteuse ? Ou plus cahoteuse ? Pourquoi ?

Considérations générales

1. A quoi ont servi les lignes de contrôle ? Quelle est la différence entre ces lignes et celles tracées sous les secousses ?
2. Décrivez le mouvement de votre surface d'écriture. Décrivez le mouvement de votre crayon.
3. En quoi vos lignes et celles tracées par un sismographe pendant un séisme sont-elle comparables ? En quoi sont-elles différentes ?

Evaluation

Les élèves sont-ils capables d'expliquer comment les ondes sismiques sont enregistrées ? [Une surface d'écriture, en contact avec le sol qui tremble, bouge sous un outil de traçage relié à une masse suspendue. L'inertie de cette masse maintient l'outil immobile par rapport à la surface d'écriture, créant une ligne irrégulière qui représente les vibrations du séisme.]

Variantes et autres études

• Tentez l'expérience en trouvant de nouvelles façons de faire vibrer la table, en plaçant par exemple un mixeur ou un autre appareil qui vibre.
• Analysez l'enregistrement d'un sismographe pendant un véritable séisme, et essayez de le répliquer à l'aide du sismographe personnel n° 1.
• Utilisez la technique du bras tendu du sismographe n° 2 dans l'expérience du sismographe n° 1.
• Répétez l'expérience du sismographe n° 2 sur différents revêtements de route et/ou dans différents types de véhicule, puis comparez.
• Comparez ensuite vos lignes avec celles enregistrées par un sismographe lors d'un véritable séisme.

Métiers concernés

Sismologue

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

United States: Cet exercice rel¨¨ve de certaines parties de la norme NSES Content Standard A, Science as Inquiry et Content Standard G, History and Nature of Science, Grades 5-8 et 9-12 ainsi que des normes suivantes :

Grades 5-8
Standard B – Physical Science: B4
Standard D –Earth and Space Science: D2

Grades 9-12
Standard B – Physical Science: B6
Standard D – Earth and Space Science: D3

Glossaire/vocabulaire

tremblement de terre
Sismique
Sismographe

Liens

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