Jeu de contraintes en lumière polarisée
Deux polariseurs croisés deviennent sombres. Du plastique transparent entre eux ramène la lumière en couleur, surtout où la cuillère a été moulée et comprimée au niveau du col.
L'expérience
Lumière du jour à travers une fenêtre et des rideaux, deux filtres polarisants l’un derrière l’autre, et une cuillère en plastique transparent dans l’écart. Tourner le filtre du fond jusqu’à ce que le champ devienne sombre, puis glisser la cuillère. Le bol s’illumine de bandes arc-en-ciel de contrainte, surtout près du col.
Ce qu'on a utilisé
Des feuilles pour deux filtres. Un support de labo avec pinces est optionnel.
- Deux filtres polarisantsIzgut linear polarizing sheet, A4
Amazon affichait 19,50 $ le 12 oct. 2026. Une feuille A4 suffit pour découper deux filtres.
À FAIRE
Comment la mener
Croiser deux filtres polarisants en plein jour devant une fenêtre à rideaux, mettre une cuillère en plastique transparent dans l’écart, et lire les bandes arc-en-ciel de contrainte dans le bol. Un écran d’ordinateur lumineux plus une lentille peuvent se croiser sans deuxième feuille.
Préparation
Deux filtres l’un derrière l’autre avec la cuillère entre, sur un support ou à la main.
Étapes
- 1
Lumière
Travailler près d’une fenêtre en plein jour. Les rideaux adoucissent la lumière et rendent le champ sombre plus facile à trouver qu’avec une lampe de bureau.
- 2
Sombre
Placer les deux filtres polarisants l’un derrière l’autre avec un écart pour la cuillère, sur un support ou à la main. Retirer le film sur les bords neufs des feuilles. Tourner le filtre du fond jusqu’à ce que l’écart soit aussi sombre que possible.
Illustration : deux filtres croisés sur des bras, une cuillère en plastique transparent entre eux, lumière du jour à travers les rideaux derrière. 3Plastique
Une cuillère en plastique transparent dans l’écart. Le bol montre des bandes arc-en-ciel moulées près du col. Certains plastiques et le verre ordinaire de fenêtre restent sombres.
- 4
Regarder
Les filtres croisés rendent les bandes de contrainte lumineuses. Tourner la cuillère ou le filtre avant dans le plan et regarder le motif bouger.
Accrochez-vous
Mécanisme
Pour les flèches : une flèche orange en pointillés est une lumière qui se déplace, et sa longueur n’est pas la luminosité. Une fine flèche orange à double pointe est une direction, le sens dans lequel la lumière oscille, ou les deux directions dans le plastique. Ce n’est pas une poussée. Les seules poussées sont les flèches orange épaisses du panneau 3, et elles ont une seule pointe. Panneau 1, « Filtres croisés → sombre ». Un seul dessin, à lire de gauche à droite dans l’ordre du trajet de la lumière : une lampe, un adulte qui tient la première feuille polarisante devant, un espace vide pour le plastique, la deuxième feuille tenue de la même façon, et un œil. Cet espace vide est le contrôle sans rien dans l’écart. La lumière d’une lampe oscille dans tous les sens. Un premier filtre idéal en garde environ la moitié, celle qui oscillait déjà dans le bon sens. La direction du second filtre est à angle droit (« croisés »), donc il n’a plus rien à laisser passer ; la lumière qui n’est pas passée a été absorbée là. Le petit cercle sombre avant l’œil est le sombre que cet œil voit. Alignez les deux directions et le champ redevient clair. La position croisée est le champ sombre que vous voulez avant d’ajouter le plastique. Panneau 2, « Un décalage qui fait la couleur ». Même chaîne : lampe, filtre, échantillon, filtre, œil. La fourchette tient la place qui était vide. Un peu de couleur est dessinée sur la fourchette. Soulevez l’un des filtres et la couleur disparaît. La fourchette n’était pas peinte et ne brille pas. La couleur est la lumière que le second filtre laisse passer jusqu’à l’œil. Le plastique a deux directions propres, issues de chaînes alignées au moulage. La lumière qui oscille le long de ces directions avance à deux vitesses différentes, donc une partie prend du retard (un décalage). Le second filtre garde la composante transversale de l’oscillation et jette le reste. La lumière blanche est beaucoup de couleurs à la fois, et chaque couleur prend du retard d’une fraction différente de sa propre onde, donc chaque couleur passe dans une proportion différente. Ce qui arrive à l’œil n’est plus blanc. Une bande d’une couleur est une bande d’un décalage : la différence d’indice fois l’épaisseur du plastique. Les taches sur cette fourchette sont un décalage moulé, souvent près du col et de la base des dents. Panneau 3, « Presser, et les bandes bougent ». Même chaîne. Deux doigts gris pincent le manche dans sa largeur. À gauche, « au repos » : surtout sombre, une tache faible restante du moulage. Où le décalage est nul, les filtres croisés restent sombres, comme l’écart vide. À droite, « en pressant » : deux flèches épaisses poussent le plastique depuis les deux bords. Elles ont la même longueur parce que la pièce n’accélère pas. Entre les doigts la couleur va d’un bord à l’autre, pareil sur toute la largeur. Cette pince ne compacte pas des bandes supplémentaires sous un doigt. Au-dessus et en dessous des doigts la couleur en plus s’estompe. Relâchez une pression douce et les bandes en plus s’effacent. La couleur moulée reste, car ce décalage a été figé quand la fourchette a été fabriquée.
Chiffres
La lumière visible est d’environ 400 à 700 nanomètres. Un décalage d’une longueur d’onde complète est un ordre de frange. Rien sur le schéma n’est un ordre numéroté pour une fourchette. Le plastique de la fourchette, son épaisseur et sa contrainte ne se résument pas en un seul nombre. Un polariseur linéaire idéal garde la moitié de la lumière d’une lampe, et deux polariseurs idéaux à angle droit n’en gardent aucune. La luminosité après le second, pour une lumière déjà polarisée, varie comme le carré du cosinus de l’angle entre les directions de passage. Les feuilles réelles gardent moins de la moitié, et le champ sombre est « aussi sombre que possible ». Le décalage est la différence d’indice fois l’épaisseur. Dans la plage élastique, pour la lumière traversant l’épaisseur, cette différence d’indice est proportionnelle à la différence des deux contraintes principales dans le plan. La constante dépend du polymère, et le signe (quelle direction est plus rapide) n’est pas le même pour tous les plastiques. Aucune constante n’est imprimée ici. Sur le panneau 2 les deux flèches diagonales correspondent, et chaque longueur géométrique bout à bout est la flèche verticale divisée par la racine carrée de 2. C’est la division à 45 degrés, pas une contrainte mesurée. Sur le panneau 3 les deux poussées ont la même longueur parce que le manche n’accélère pas. La barre de 1 cm est l’échelle du dessin. Le petit côté de ce manche est dessiné à 1,5 cm. La simulation indique ses propres constantes, car elle doit calculer une image. Le corps est une bande de 15 mm sur la pince, 40 mm le long du manche, et 2 mm d’épaisseur. Polycarbonate type C = 7e-11 Pa^-1. La pince ajoutée est une compression uniaxiale qui dépend seulement de la position le long du manche : la même pression sur toute la largeur, une gaussienne de 6 mm de large, plus forte au centre. En haut de ce curseur la différence de contraintes principales au centre est de 8 MPa, et le décalage au centre d’environ 1120 nm. La contrainte résiduelle de moulage est un tenseur illustratif séparé, ajouté avant de prendre les principales. Elle ne suit pas le curseur. La couleur utilise 16 longueurs d’onde de 400 à 700 nm, un spectre type D65, et les fonctions de correspondance CIE 1931, puis sRGB. Les deux axes de passage sont des curseurs, en degrés depuis l’horizontale.
Aller plus loin
Retirez un filtre. La fourchette paraît transparente. Remettez-le, croisez-les, et la couleur revient. C’est tout le contrôle contre la peinture et contre une lueur. Tournez la fourchette, ou le filtre avant, dans le plan du montage (jour à la fenêtre, schéma à la lampe, ou écran blanc avec une lentille devant). Vous pouvez voir une raie noire qui pivote avec la rotation et à peine réagit si vous pressez un peu. Cette raie est une question de direction : les deux directions du plastique alignées avec les filtres, donc le second filtre bloque encore la lumière, même où la contrainte n’est pas nulle. On appelle ça une isocline. Le schéma n’en dessine pas. La forme dépend de la pièce, et une courbe devinée serait une fausse carte. Le ruban adhésif transparent est le même tour, figé à l’usine. Chaque couche en plus ajoute du décalage, donc la couleur avance par paliers. Le schéma ne dit pas combien une couche ajoute. Ça dépend du ruban. Le verre trempé, comme dans une vitre de voiture, peut montrer un motif fixe. Ce motif a été mis au moment de la fabrication. Il ne partira pas en pressant.
Le nom de ça
Lumière polarisée. Biréfringence et photoélasticité (la contrainte apparaît comme un décalage entre deux directions de la lumière).
Essayez : champ sombre, puis pincez
Tournez le filtre avant jusqu'à ce que le champ soit aussi sombre que possible, puis ajoutez une pincée. Même idée de filtres croisés que la configuration fenêtre.
lampe → filtre → échantillon → filtre → œil
lampe
lumière blanche
filtre
polariseur
échantillon
manche
filtre
analyseur
œil
en dessous
Filtres croisés. Pas de contrainte dans la pièce, donc l’œil voit un champ sombre.
90° entre les filtres · croisés · décalage central 0 nm
L’échantillon est une bande de 15 mm de large et 40 mm le long du manche, 2 mm d’épaisseur, en guise de manche de fourchette. La lumière traverse l’épaisseur. La pince est dans la largeur. Cette pression est la plus forte entre les doigts et est supposée uniforme sur toute la largeur, donc le schéma n’ajoute pas de bandes supplémentaires sous chaque doigt. La contrainte résiduelle est un motif de moulage illustratif, plus marqué près du col et des bords longs, et elle ne change pas quand on pince. Plastique type polycarbonate. Polariseurs linéaires seulement. La couleur utilise quelques longueurs d’onde. Une zone sombre qui reste en place quand la contrainte change, c’est une question d’orientation : les axes de la pièce alignés avec les filtres.