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ESA Student Parabolic Flight Campaign 2003

A Parabolic Test Of the constancy of the

Velocity Of Light

(APTOVOL)

www.aptovol.tk

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L’équipe

F. Guisset, S. Ovyn, G. Pfyffer, V. René de Cotret,

D. Bertrand, J. Govaerts, Gh. Grégoire, X. Rouby

Institut de Physique Nucléaire

Université catholique de Louvain

Louvain-la-Neuve, Belgium

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Support et Sponsors

• Faculty of Sciences• Department of Physics• Particle physics group

SSTC (Belgian Federal Science Policy Office)

Université catholique de LouvainB – 1348 Louvain-la-Neuve

UCL office for scientific outreach

Ministère de l’Enseignement Supérieur, de l’Enseignement de Promotion Socialeet de la Recherche Scientifique

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Sommaire

4. Analyse préliminaire

présenté par Gregor Pfyffer

3. La semaine à Bordeaux

présenté par Fabian Guisset

2. Réalisation de l’expérience

présenté par Vinciane René de Cotret

1. Concepts théoriques

présenté par Séverine Ovyn

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Partie 1

Concepts théoriquesPrésenté par Séverine Ovyn

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Expérience de Michelson et Morley

Conclusion : la vitesse de la lumière est une constante indépendante du référentiel galiléen où elle est

mesurée.

Principe : mesure de la vitesse longitudinale de la Terre dans son mouvement de rotation autour du Soleil.

Expérience :

- deux faisceaux monochromatiques issus d'une même source interfèrent.

- un faisceau se déplace dans le sens de la vitesse longitudinale de la Terre et l’autre dans la direction perpendiculaire.

Aucune figure d’interférences n’est observée!!

Résultat :

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Un peu de Relativité Générale

Objectif de la Relativité Générale : réconcilier gravitation et Relativité Restreinte

•La Relativité Restreinte s'applique à des corps se déplaçant avec des vitesses constantes

Problème : toute masse est soumise à la gravitation!

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Un peu de Relativité Générale

Principe d’équivalence :

Un repère uniformément accéléré est équivalent à un champ gravitationnel. Il n'existe pas de moyen pour un observateur situé dans ce repère de faire la distinction entre les deux.

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La vitesse de la lumière c est

une constante fondamentale de

la Nature!

Etes-vous sûr Mr. Einstein ? …

La controverse

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Questions

•c est-elle vraiment constante en toute circonstance?

– Des expériences ont déjà testé ce principe fondamental de physique...

– La dépendance de la vitesse de la lumière en fonction de la vitesse relative du repère a déjà été supposée.

– Une limite expérimentale sur la variation de c est trouvée.

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Hypothèses

• Les dépendances de c par rapoort à l’accélération du système de référence peuvent être linéaires ou quadratiques

2~~ ac

coua

c

c

La vitesse de la lumière dépendrait-elle de l’accélération du système de référence?

Nous pouvons augmenter la limite supérieure de 10³!

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Avantages d’un vol parabolique

• accélération de la Terre autour du Soleil = g/1662

• accélération du laboratoire sur Terre, en considérant la rotation journalière = g/410

• accélération maximale de l’avion ZERO-G = 2 g

Les vols paraboliques offrent un environnement idéal pour observer une possible influence de l’accélération du repère sur la valeur de c !

Deuxième partie

Préparation du projetPrésenté par Vinciane René de Cotret

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Matériel

• Matériel nécessaire à l’expérience– Au sein de l’UCL (PHYS ou FSA) – Au niveau des entreprises (Optilas,…)

• «Squelette» du montage, pièces de fixation, parois de protection -> Atelier FYNU CRC

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Examen médical

• Trouver un centre médical compétent pour nous déclarer « aptes au vol » : L’hôpital militaire à Neder-over-Heembeek.

• Liste impressionnante de tests médicaux: électrocardiogramme, tests sanguins, radio du thorax, etc…

et tout ça sans se perdre dans le dédale de couloirs!

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Communication

• Contact avec des journalistes– presse écrite– Radio, télévision– louvainlanews.org

• Création d’un site web: http://www.aptovol.tk

• Présenter notre projet:– A l’ESTEC (Noordwijk)– Aujourd’hui!– Festival science infuse– Dans des écoles secondaires

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Budget

• Financement

– Matériel et constructions mécaniques

– Tests médicaux

– Transport jusqu’à Bordeaux

– Assurances

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L’expérience

Comparaison de deux signaux électro-magnétiques modulés:

Comment ça se passe concrètement?

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Montage expérimental

• Un laser d’amplitude modulée (jusqu’à 500 MHz) et le récepteur qui lui est associé

• Un synthétiseur haute-fréquence (il fixe la fréquence de modulation du laser)

• Un accéléromètre couplé au récepteur

• Un oscilloscope digital et un ordinateur portable pour l’acquisition des données

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Acquisition de données

• Les signaux émis et reçus sont dirigés vers un oscilloscope:– Canal 1: signal émis (AC)– Canal 2: signal reçu (AC) + signal de l’accéléromètre (DC)

• Ces deux canaux seront enregistrés sur l’ordinateur toutes les secondes et demie à travers une interface LabviewTM

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Troisième partie

A Bordeaux

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Avant le vol

• Rencontre avec l’ESA et Novespace

• Rencontre avec les autres équipes

• France

• Danemark

• Espagne

• Italie

• Pologne

• Allemagne

• Suisse

• Angleterre

• Norvège

• et … Belgique!

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Dernière Minute

• Acquisition de données– Optimisation– Interface utilisateur

• Dispositif électrique– Disjoncteur– Fixation des cables

• Mousse– ~ 40 mètres

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Contrôle de sécurité

Ils ont dit On a fait

Les trous sont non réglementaires

De nouveaux trous

Les vis sont trop courtes

L’achat de nouvelles vis

Les ouvertures sont dangereuses

L’achat de sangles

Ca vibre trop Un nouvel achat de sangles

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Briefing

• Explication des procédures– Décolage, comptes à rebours, pull-up,

injection, pull-out

• Sécurité à bord de l’avion– « Sauveteurs de l’air » – Toujours se tenir pour avoir un repère– Sauf dans le « free floating »

• Médicaments– ScopDex: sous contrôle médical strict– N’empêche pas certains d’être malade!

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Un vol parabolique

1. Phase de "pull up”• Poussée>Friction• Angle d’attaque de

portée nulle

2. Microgravité• Poussée=Friction• Angle d’attaque “de

portée nulle”

3. Phase de “pull out”• Poussée>Friction• Angle d’attaque

“portant”

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Forces agissant sur un avion (I)

PESANTEUR

FRICTION

Vol plan

PORTEE

POUSSEE

FRICTION < POUSSEE

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Forces agissant sur un avion (II)

PESANTEUR

“pull up”

PORTEE

CENTRIPETE

FRICTION

POUSSEE

La “friction” augmente

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Forces agissant sur un avion (III)

PESANTEUR

ParaboleFRICTION =POUSSEE

PORTEE = 0

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Forces agissant sur un avion (IV)

PESANTEUR

“pull out”

PORTEE

La “poussée” augmente

CENTRIPETE

POUSSEE

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Procédure de vol

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Vol test

• 5 paraboles pour « se mettre dans le bain »

• Attaché sur son siège

• Un demi médicament

• Notre expérience a tenu bon!

Quelques petits problèmes pour certains

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Les vols!

… Durant 31 paraboles …On a beaucoup travaillé …… mais on s’est aussi bien amusé!

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Premier vol

• Vol Bordeaux-Bruxelles– Accueil ministériel à Bruxelles

• Excellentes conditions de vol– Paraboles presque parfaites

• Léger problème au niveau de l’acquisition de données

Ca nous apprendra!

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Second vol

• Toutes les données ont été enregistrées

• Vol au-dessus de la Corse

• Conditions moins bonnes– g négatif par moment!

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Au revoir à Bordeaux

Pour terminer, Remise de diplômes

Céder le passage aux nouvelles équipes

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Quatrième partie

Résultats préliminaires présentés par Gregor Pfyffer

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Corrélation de Phases

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

-0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06

Channel 1 (Emitter)

Ch

ann

el 2

(Rec

eive

r)

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Signaux moyens

tube fixé tube libre

Fichiers

Acc

élé

rati

on

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Accélération enregistrée pendant le vol (II)

… et nos données :

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Premières observations

1. Pas d’effet de l’accélération sur le canal 1

2. L’accélération mesurée est on bon accord avec celle de l’équipage (données partielles)

3. Les conditions de vol a 1-g ne sont pas suffisamment stables pour que nous puissions en faire une analyse pertinente

L’électronique ( i.e. 0 ) est insensible au conditions de vol

Calibrations indépendantes • accéléromètre

• échelle de temps

Nous devons comparer les données à 0-g data avec celles à « 2-g »

…mais alors a

n’est plus strictement vertical par rapport a la Terre

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Conclusions préliminaires

Angle de phase moyen

<>Angle de phase moyen

<> à 0-g à 2-g

Paraboles avec le tube fixé -2.4767 0.0024 -2.4815 0.0015

Paraboles avec le tube libre -2.4866 0.0015 -2.4801 0.0016

Les valeurs moyennes à 0-g et 2-g correspondent dans la limite 2 (C.L. 95%)

(ou … il y a 5% de chance pour qu’elles soient différentes)

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Améliorations futures

1. Propagation de la lumière dans une fibre fixe ou non ?

2. Fréquence de modulation optimale

3. Logiciel d’acquisition totalement automatique

(remplaçant la procédure de démarrage manuelle)

4. Mécanique plus robuste et moins lourde

5. Enregistrement du vecteur d’accélération en 3-D

(a décider après une étude cinématique détaillée du vol)

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Perspectives

Amélioration de l’analyse actuelle

• Détermination de l’angle de phase 0

« best fit »• Interprétation statistique des résultats

Mise à jour et maintenance des pages web

Activités d’outreach (conférences pour élèves du secondaire, festival Science Infuse, …)

… et participation à une prochaine campagne ?!