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Dossier Technique : Projet Chronos

Outil

DOSSIER TECHNIQUE N° PHY-5-LUM

Lumières et Ombres : Construire un Cadran Solaire Horizontal

Mission de Génie Physique & Optique
1. Contexte de la MissionPHASE : ÉTUDE DE FAISABILITÉ
📝 Situation du Projet

La commune de Saint-Lumière, située dans la vallée de la Drôme, souhaite réhabiliter le "Jardin des Sciences" du collège municipal Aimé Césaire. Au centre géographique exact de ce jardin se trouve un ancien piédestal en pierre calcaire, orienté approximativement vers le Sud, mais qui reste désespérément vide depuis des décennies. Suite à une initiative du conseil municipal des jeunes, un budget a été débloqué pour y installer une œuvre à la fois artistique et scientifique.

En tant qu'ingénieur junior au sein du bureau d'études "Lumière & Espace", spécialiste en optique géométrique et astronomie de position, vous avez été mandaté par le département d'éducation pour concevoir, dimensionner et superviser l'installation d'un cadran solaire horizontal précis sur ce support existant.

Ce projet dépasse la simple décoration : il doit servir d'outil pédagogique pérenne pour les classes de 5ème. Il permettra de démontrer in situ les principes fondamentaux de la propagation rectiligne de la lumière et la mécanique céleste (rotation de la Terre). Vous devez donc justifier chaque dimension par un calcul rigoureux, prouvant que l'ombre projetée indiquera l'heure solaire vraie avec une fiabilité exemplaire tout au long de l'année scolaire.

🎯
Votre Mission :

Votre objectif est de produire le dossier d'exécution (EXE) complet du cadran. Vous devez impérativement :
1. Déterminer l'angle de coupe du style (le gnomon) pour qu'il soit strictement parallèle à l'axe de rotation terrestre.
2. Calculer la position angulaire des lignes horaires sur la table du cadran en utilisant les lois de la projection gnomonique.
3. Fournir le plan de traçage définitif à l'échelle pour le tailleur de pierre.

🗺️ SCHÉMA D'IMPLANTATION DU SITE
SOLEIL (Source) SUPPORT EXISTANT N S E EMPLACEMENT Surface Plane
Soleil (Source)
Support (Obstacle)
Orientation Nord Magnétique vs Géographique
⚠️
Sécurité & Précision :

"Note urgente du Responsable Qualité : Rappel de sécurité absolue à inclure dans le livrable : Ne jamais regarder le Soleil directement, même pour aligner le cadran, sous peine de lésions rétiniennes irréversibles. Utilisez toujours les ombres portées au sol. De plus, la précision du cadran dépend entièrement de la latitude locale. Une erreur de 1° dans vos calculs rendra l'heure fausse de plusieurs minutes !"

2. Données Techniques de Référence

Pour mener à bien le dimensionnement, vous ne pouvez pas improviser. Vous devez vous appuyer sur un ensemble strict de paramètres géographiques et de lois physiques qui gouvernent notre système solaire. Ces valeurs sont immuables pour ce site spécifique.

📚 Cadre Normatif & Physique

Le projet respecte les principes suivants :

1. Optique Géométrique (Propagation) : La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène (l'air). C'est ce principe qui garantit la rectitude de l'ombre du style.
2. Mécanique Céleste (Rotation) : La Terre tourne sur elle-même en 24h autour d'un axe fixe pointant vers l'étoile Polaire. C'est ce mouvement régulier que le cadran doit mesurer.
⚙️ Paramètres du Site (Relevés Topographiques)

Les coordonnées suivantes ont été relevées par GPS différentiel au centre du piédestal. Elles constituent la base absolue de tout calcul d'angle.

POSITION GÉOGRAPHIQUE
Latitude Locale (\(\phi_{\text{lieu}}\))45° Nord (ex: Bordeaux/Valence)
Longitude0° (Méridien de Greenwich) (Simplification)
CONTRAINTES DIMENSIONNELLES
Longueur max. de la Table50 cm (Taille de la pierre existante)
Matériau du Style (Gnomon)Tige en Laiton (Rigide, Inoxydable)
📐 Constantes Astronomiques & Hypothèses

Le système solaire nous impose des vitesses et des cycles que nous ne pouvons modifier. Voici les valeurs à utiliser pour vos calculs de niveau Collège :

  • Rotation de la Terre : 1 tour complet (360°) en 24 heures.
  • Vitesse angulaire du Soleil : \( 360 / 24 = \) 15° par heure.
  • Référence céleste : L'axe de la Terre pointe en permanence vers l'Étoile Polaire.
⚖️ Hypothèses Simplificatrices

Pour rendre l'exercice accessible, nous posons que :

Source LumineuseÀ l'infini (Rayons parallèles)
Plan de la tableStrictement Horizontal (Niveau à bulle)
[VUE TECHNIQUE : PRINCIPE DU GNOMON]
TABLE HORIZONTALE (PIERRE) Angle Latitude H_style L_base RAYONS PARALLELES Vers l'Etoile Polaire
[Schéma statique : Coupe de profil. Le style (en rouge) doit pointer vers l'étoile Polaire.]
📋 Récapitulatif des Variables Clés
DonnéeSymboleValeurUnité
Latitude du lieu\(\phi_{\text{lieu}}\)45Degrés (°)
Hauteur arbitraire du style\(H_{\text{style}}\)15cm
Angle horaire solaire\(\omega\)15° / heure

E. Protocole de Résolution

Pour construire ce cadran solaire fonctionnel, nous allons suivre une démarche scientifique rigoureuse, allant de la compréhension physique du phénomène jusqu'au calcul géométrique final.

1

Théorie de l'Ombre

Comprendre comment la lumière rectiligne crée une zone d'ombre et définir le rôle de l'obstacle (le style).

2

Géométrie du Style

Calculer l'angle d'inclinaison du gnomon en fonction de la latitude locale pour compenser la courbure terrestre.

3

Traçage des Heures

Déterminer géométriquement ou par calcul la position des lignes horaires sur la table horizontale.

4

Orientation Finale

Aligner le dispositif avec le Nord Géographique (Vrai) pour une lecture précise.

CORRECTION DÉTAILLÉE

Lumières et Ombres : Construire un Cadran Solaire Horizontal

1
ANALYSE DU PHÉNOMÈNE : LUMIÈRE ET OMBRES
🎯 Objectif de l'étape

Avant de construire, nous devons valider le principe physique fondamental. L'objectif est de démontrer, par la modélisation géométrique, comment une ombre se forme et comment sa longueur varie en fonction de la position du Soleil. Nous allons prouver que la longueur de l'ombre portée est inversement proportionnelle à la hauteur du soleil dans le ciel.

📚 Référentiel Théorique
Loi de la propagation rectiligne de la lumière Théorème de Thalès & Trigonométrie (Tangente)
🧠 Réflexion de l'Ingénieur

Pour qu'un cadran solaire fonctionne avec précision, l'ombre projetée doit être "nette" et géométriquement prévisible. Cela implique que nous considérons la lumière comme se déplaçant en ligne droite parfaite. Si la lumière pouvait contourner les objets, il n'y aurait pas d'ombre franche. De plus, étant donné la distance Terre-Soleil (environ 150 millions de km), nous considérons que les rayons lumineux arrivant sur notre petit cadran de 50 cm sont strictement parallèles entre eux.

📘 Rappel Théorique : Propagation et Ombre Portée

Dans un milieu transparent et homogène (comme l'air de notre jardin), la lumière se propage en ligne droite. Lorsqu'elle rencontre un objet opaque (le style en laiton), elle est bloquée. La zone située derrière l'objet, qui ne reçoit pas de rayons lumineux directs, s'appelle la zone d'ombre. La projection de cette zone sur une surface plane (la table horizontale) s'appelle l'ombre portée.

H L (Ombre) Angle Alpha
📐 Formules Clés (Géométrie de l'Ombre)
Relation Trigonométrique Fondamentale :

Dans un triangle rectangle formé par le style vertical (hauteur \(H\)) et son ombre au sol (longueur \(L\)), la relation dépend de l'angle d'élévation du Soleil (\(\alpha\)).

\[ \tan(\alpha) = \frac{\text{Côté Opposé}}{\text{Côté Adjacent}} = \frac{H}{L} \]

Détail de la manipulation algébrique pour isoler \(L\) :

1. On multiplie par \(L\) des deux côtés :

\[ L \times \tan(\alpha) = H \]

2. On divise par \(\tan(\alpha)\) pour isoler \(L\) :

\[ L = \frac{H}{\tan(\alpha)} \]

📋 Données d'Entrée & Hypothèses
ParamètreValeur
Hauteur verticale du style test (\(H\))10 cm
Angle du soleil Hiver (\(\alpha_{\text{hiver}}\))25°
Angle du soleil Été (\(\alpha_{\text{été}}\))65°
💡 Astuce d'Expert

Plus le soleil est haut dans le ciel (été, midi), plus l'ombre est courte. Plus il est bas sur l'horizon (hiver, matin/soir), plus l'ombre s'allonge. C'est pourquoi la dimension de la table du cadran est critique : elle doit être assez grande pour contenir les ombres longues d'hiver, sinon l'heure ne sera pas lisible une partie de l'année !

📝 Calculs Détaillés : Vérification de la Longueur d'Ombre Hivernale
1. Pose de l'équation

Nous allons vérifier si une table standard de 50 cm de long est suffisante pour un style de 10 cm de haut lorsque le soleil est au plus bas (hiver à 25°). Nous cherchons la longueur \(L_{\text{hiver}}\).

\[ L_{\text{hiver}} = \frac{10}{\tan(25^\circ)} \]
2. Calcul de la tangente

Calculons d'abord la valeur de la tangente de 25 degrés.

\[ \tan(25^\circ) \approx 0.4663 \]
3. Résolution numérique finale

Effectuons la division pour obtenir la longueur en centimètres.

\[ \begin{aligned} L_{\text{hiver}} &= \frac{10}{0.4663} \\ &\approx 21.45 \text{ cm} \end{aligned} \]

Interprétation Physique : Avec une ombre calculée de 21,45 cm, notre table de 50 cm est largement suffisante. L'ombre ne "sortira" pas du cadran, même au cœur de l'hiver. Nous avons une marge de sécurité de plus de 28 cm.

✅ Interprétation Globale : Le principe de l'ombre est maîtrisé et la table est correctement dimensionnée pour l'hiver.
⚖️ Analyse de Cohérence

Si nous avions trouvé une longueur de 200 cm, il aurait fallu soit réduire drastiquement la hauteur du style, soit agrandir la table. Ici, le rapport H/L est cohérent pour un usage scolaire.

⚠️ Points de Vigilance

Attention à la pénombre : si le bout du style est trop épais ou rond, l'extrémité de l'ombre sera floue sur la pierre. Il faut prévoir une pointe fine ou biseautée pour une lecture précise de l'heure.

2
DIMENSIONNEMENT GÉOMÉTRIQUE DU STYLE (GNOMON)
🎯 Objectif de l'étape

C'est l'étape la plus critique de la conception. Pour qu'un cadran solaire indique la bonne heure toute l'année, son style ne doit pas simplement être vertical. Il doit être strictement parallèle à l'axe de rotation de la Terre. Nous devons donc calculer l'angle exact qu'il doit former avec le sol horizontal de Saint-Lumière.

📚 Référentiel
Géométrie sphérique (simplifiée) Coordonnées Terrestres (Latitude)
🧠 Réflexion de l'Ingénieur

Faisons une expérience de pensée géométrique. Imaginez que vous êtes au Pôle Nord. L'axe de rotation de la Terre est exactement vertical sous vos pieds (90°). À l'inverse, si vous êtes à l'Équateur, l'axe de la Terre est horizontal par rapport à vous (0°). Entre ces deux extrêmes, l'angle du style par rapport à l'horizontale locale est exactement égal à la latitude du lieu (\(\phi\)). C'est une règle d'or gnomonique absolue.

📘 Rappel Théorique : L'Axe Polaire

Le gnomon doit pointer vers le pôle céleste (très proche de l'Étoile Polaire dans l'hémisphère Nord). Pour ce faire, son angle d'élévation par rapport à l'horizon doit compenser la courbure de la Terre. Cet angle est fixe pour un lieu donné et ne dépend pas de la saison.

Lat Horizon Local Style // Axe L'angle du style sur l'horizon = Latitude
📐 Formules Clés : La Loi du Cadran Horizontal
Formule de construction :

L'angle \(\alpha_{\text{style}}\) entre le style (l'hypoténuse du triangle que nous allons fabriquer) et la table horizontale est donné par la latitude \(\phi_{\text{lieu}}\).

\[ \alpha_{\text{style}} = \phi_{\text{lieu}} \]

Manipulation Géométrique : Cette formule découle directement de la géométrie de la sphère terrestre. Si l'horizon est tangent à la sphère et l'axe passe par le centre, l'angle entre l'axe et l'horizon correspond à la latitude.


📋 Données d'Entrée
ParamètreValeur
Latitude locale (\(\phi_{\text{lieu}}\))45° (Nord)
Type de cadranHorizontal
💡 Astuce

Vérifiez toujours votre latitude sur une carte ou un GPS. Une erreur de quelques kilomètres n'est pas grave, mais se tromper de 5 degrés rendra le cadran inutilisable.

📝 Calculs Détaillés : Définition de l'Angle de Coupe
1. Application Numérique

Le calcul est immédiat car le site est situé à la latitude exacte de 45° Nord.

\[ \alpha_{\text{style}} = 45^\circ \]

Interprétation pour la Fabrication : Cela signifie que nous devons découper un triangle rectangle dont l'un des angles aigus est exactement de 45°. Dans ce cas particulier (45°), c'est un triangle isocèle rectangle ! La hauteur verticale du triangle sera égale à sa base horizontale. C'est la configuration la plus simple à tracer pour un artisan.

✅ Interprétation Globale : Le style doit être coupé avec un angle précis de 45° pour être parallèle à l'axe terrestre.
⚖️ Analyse de Cohérence

Si nous étions à Paris (49°), le style serait un peu plus redressé vers le ciel. À Marseille (43°), il serait plus couché vers l'horizon. La valeur de 45° est une valeur médiane parfaite pour un exercice pédagogique.

⚠️ Points de Vigilance

Le matériau du style doit être parfaitement rigide (laiton ou inox de forte section). S'il se tord avec le temps ou le vent, l'angle changera et le cadran deviendra faux. La découpe doit être précise au demi-degré près.

3
TRAÇAGE DES LIGNES HORAIRES (MATHÉMATIQUES)
🎯 Objectif de l'étape

Où devons-nous tracer les lignes correspondant à 13h, 14h, 15h sur la pierre ? Contrairement à une montre, les angles ne sont pas réguliers (il n'y a pas 15° par heure sur le cadran, sauf si nous étions au Pôle Nord). Nous devons calculer l'angle \(A\) de chaque ligne horaire sur la table par rapport à la ligne de midi (la Méridienne) pour compenser la projection horizontale.

📚 Référentiel
Formule fondamentale des Cadrans Solaires Horizontaux
🧠 Réflexion de l'Ingénieur

Le Soleil tourne "apparemment" autour de l'axe de la Terre à une vitesse régulière de \(H = 15^\circ\) par heure (360° / 24h). Mais comme nous projetons ce mouvement régulier sur un plan horizontal (notre table) qui coupe l'axe terrestre en biais, cet angle se déforme géométriquement. La formule lie l'angle solaire \(H\) et la latitude \(\phi\) pour donner l'angle à tracer \(A\).

📘 Rappel Théorique : La Projection Gnomonique

La surface du cadran (la table) coupe le cône des lignes horaires issues du style. Cette intersection crée des angles qui ne sont pas égaux. Les heures sont "tassées" autour de midi et "étirées" vers 6h et 18h.

Origine MIDI (0 deg) Montre (15 deg) Cadran (10.7 deg) Angle A
📐 Formules Clés : Projection Gnomonique
Équation Fondamentale :

L'angle \(A\) de la ligne horaire sur la table est donné par l'équation suivante :

\[ \tan(A) = \sin(\phi) \times \tan(H) \]

Détail de la manipulation algébrique pour isoler l'angle \(A\) (fonction ArcTan) :

\[ A = \arctan\left( \sin(\phi) \times \tan(H) \right) \]

📋 Données d'Entrée
ParamètreValeur
Latitude (\(\phi\))45°
Temps écoulé depuis midi solaire1 heure
Angle solaire (\(H\)) (1h x 15°)15°
💡 Astuce

Les cadrans solaires sont symétriques par rapport à midi ! L'angle calculé pour 13h (1h après midi) est le même que pour 11h (1h avant midi), mais de l'autre côté.

📝 Calculs Détaillés : Angle pour 13h (et 11h par symétrie)
1. Calcul du coefficient de latitude

Calculons d'abord le sinus de la latitude.

\[ \sin(45^\circ) \approx 0.7071 \]
2. Calcul de la tangente solaire

Calculons la tangente de l'heure solaire (15°).

\[ \tan(15^\circ) \approx 0.2679 \]
3. Application de la formule (Produit)

Multiplions les deux termes pour obtenir \(\tan(A)\).

\[ \begin{aligned} \tan(A) &= 0.7071 \times 0.2679 \\ &= 0.1894 \end{aligned} \]
4. Récupération de l'angle (Arctan)

Inversons la tangente pour trouver l'angle final en degrés.

\[ \begin{aligned} A &= \arctan(0.1894) \\ &\approx 10.73^\circ \end{aligned} \]

Interprétation du Résultat : Résultat surprenant ! Alors que le Soleil a bougé de 15° dans le ciel, sur notre cadran à 45° de latitude, l'ombre n'a bougé que de 10,7°. C'est la preuve mathématique de la déformation due à la projection horizontale. Les heures sont "resserrées" autour de midi.

✅ Interprétation Globale : Tracer la ligne de 13h à 10,7° de la ligne de midi sur la table horizontale.
⚖️ Analyse de Cohérence

Vérifions les extrêmes. À midi (0h), l'angle est 0°. À 18h (6h après midi, soit \(H=90^\circ\)), \(\tan(90)\) tend vers l'infini. Or, l'angle dont la tangente est infinie est 90°. La ligne de 18h est donc bien perpendiculaire au style. Nos calculs intermédiaires sont cohérents avec la théorie.

⚠️ Points de Vigilance

Ne confondez pas les degrés décimaux (10.7°) avec les degrés-minutes. Sur un rapporteur scolaire, visez entre 10 et 11 degrés, plus près de 11.

4
ORIENTATION ET INSTALLATION (NORD GÉOGRAPHIQUE)
🎯 Objectif de l'étape

Un cadran solaire, aussi parfaitement calculé et construit soit-il, ne donnera l'heure juste que s'il est parfaitement orienté. Le style doit pointer vers le Nord Géographique (l'axe de rotation de la Terre) et non le Nord Magnétique (indiqué par la boussole), qui varie chaque année et peut différer de plusieurs degrés.

📚 Référentiel
Méthode du "Midi Solaire"
🧠 Réflexion de l'Ingénieur

La boussole n'est pas fiable pour la précision requise ici (Déclinaison magnétique). La méthode la plus sûre et la plus pédagogique pour un collégien est d'utiliser le Soleil lui-même comme référence. Au moment exact du "Midi Solaire Vrai", le Soleil culmine au plus haut dans le ciel et se trouve pile au Sud géographique. L'ombre projetée est alors la plus courte de la journée et indique le Nord géographique exact.

📘 Rappel Théorique : Le Méridien

Le plan méridien est le plan Nord-Sud qui passe par le lieu d'observation. Quand le Soleil traverse ce plan, c'est le "midi" local.

OK (Midi) Ombre (Pas bon) Rotation
📐 Formules Clés : Pas de formule mathématique ici

Il s'agit d'une procédure géométrique in-situ basée sur l'observation de l'ombre minimale.


📋 Données d'Entrée

Heure du midi solaire local (à récupérer sur internet).

💡 Astuce

Attention, l'heure de votre montre (Heure Civile) n'est pas l'heure solaire ! En été en France, il est souvent 14h à la montre quand il est midi au soleil (GMT+2). Il faut donc faire l'alignement vers 14h (heure montre) pour capturer le vrai midi solaire.

📝 Calculs Détaillés : Protocole d'Installation sur Site
ActionDétail Technique
1. Pose InitialePoser le cadran sur le piédestal sans le fixer définitivement (vérifier l'horizontalité parfaite avec un niveau).
2. Attente StratégiqueAttendre l'heure du midi solaire local (consultable sur une éphéméride web pour la longitude exacte de Saint-Lumière).
3. Rotation CritiqueÀ l'instant T précis, tourner doucement le cadran jusqu'à ce que l'ombre du style se superpose exactement à la ligne gravée de midi (XII).
4. FixationMarquer la position et sceller le cadran.
✅ Interprétation Globale : Le cadran est correctement orienté Nord-Sud grâce au midi solaire.
⚖️ Analyse de Cohérence

Si l'ombre à midi n'est pas alignée avec le XII, c'est que le cadran est mal orienté.

⚠️ Points de Vigilance

Le niveau à bulle est aussi important que la boussole. Une table penchée faussera tout.

📄 Livrable Final (Note de Synthèse EXE)

VALIDÉ POUR TRAVAUX
Projet : Cadran Solaire "Chronos"
PLAN D'EXÉCUTION & DIMENSIONNEMENT
Affaire :PHY-005
Phase :EXE
Date :24/10/2023
Indice :B
1. Synthèse des Calculs de Géométrie

Valeurs définies pour une latitude de 45° Nord.

1.1. Le Style (Gnomon)
Formule :Angle = Latitude
Angle de coupe :45.0°
1.2. Les Lignes Horaires (Table)
Ligne de 12h (Midi) :0° (Axe Nord-Sud)
Lignes de 11h / 13h :10.7° par rapport à Midi
Lignes de 10h / 14h :22.2° par rapport à Midi
Lignes de 09h / 15h :35.3° par rapport à Midi
Lignes de 06h / 18h :90.0° (Perpendiculaires)
2. Conclusion & Validation
AVIS TECHNIQUE
✅ CONCEPTION VALIDÉE
Le cadran calculé pour 45° est réalisable. L'erreur théorique maximale est inférieure à 1 minute si l'orientation Nord est respectée.
3. Plan de Traçage Définitif
XII I XI II X VI VI BASE DU STYLE (SUD) Point A
Rédigé par :
L'Ingénieur Principal
Vérifié par :
Professeur Chronos
VISA DE CONTRÔLE
24/10/2023 - VALIDÉ
Exercice de Physique - Niveau 5ème/4ème