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Eau fond, c'est clair ! |
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Renseignements divers |
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Projet :
Eau fond, c'est clair ! |
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Réalisé
par :
Charlyne Thauvette
et Andréanne Rochefort |
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Type de projet :
Expérimentation |
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Catégorie :
Sciences appliquées
et technologie |
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Classe :
Intermédiaire |
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Âge des participants
:
15 et 16 ans |
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École :
Polyvalente de l'Érablière |
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Professeur :
Sylvie Trottier |
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A remporté :
Médaille de bronze, projet
en ingénierie, Intermédiaire |
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Projet présenté à l'Expo-sciences Bell, finale régionale
de l'Outaouais 1998
Sélectionné pour la Super Expo-sciences Bell, finale québécoise
1998 (Montréal)
Sélectionné pour l'Expo-sciences pancanadienne de Timmins
1998 où elles ont remporté : Médaille de bronze,
projet en ingénierie, Intermédiaire
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Introduction |
Lorsque nous avons décidé de nous lancer dans l'aventure
des Expo-sciences, nous étions résolues à trouver
un projet original dans une discipline qui nous était alors inconnue.
Par pur hasard, nous avons eu vent de la présence, dans notre milieu,
d'un archéologue sous-marin de grande renommée, monsieur
Robert Grenier de Parcs Canada. Et fascinées par ses récits
d'expéditions dans les bas-fonds des océans, à la
recherche d'épaves historiques, nous nous sommes plongées
dans le monde palpitant des découvreurs de la mer.
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La problématique |
Nos échanges avec monsieur Grenier nous ont permis de cerner une
problématique en archéologie sous-marine qui nécessite
une attention particulière. Ce problème, en apparence fort
banal, pose un défi énorme aux plongeurs qui étudient
les épaves : comment arriver, dans des conditions d'eau boueuse,
à « amener » suffisamment de lumière du jour jusqu'à
un site archéologique, afin de pouvoir travailler convenablement?
En l'absence de solutions, les plongeurs doivent souvent travailler dans
l'obscurité partielle ou totale, se fiant à leur seul sens
du toucher pour compléter leurs recherches.
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L'hypothèse |
Le problème peut être réglé de façon
efficace en créant, à partir de la surface de l'eau, un
puits de lumière qui « descend » jusqu'à proximité
de l'épave.
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Les conditions d'expérimentation |
Au point de départ, nous nous sommes d'abord renseignées
sur ce qu'était la science de l'archéologie sous-marine.
Nous avons voulu aussi connaître les conditions réelles de
travail que l'on rencontre lors d'une fouille archéologique menée
dans des eaux boueuses. Après étude de diverses possibilités,
nous avons décidé de mettre à l'essai, en laboratoire,
la solution du puits de lumière, c'est-à-dire une colonne
que l'on crée à partir de la surface de l'eau, et qui amène
la lumière jusqu'au site de la fouille archéologique. Nous
avons ainsi expérimenté trois options de puits de lumière
:
 Option
1 :
employer une colonne rigide sans eau, c'est-à-dire remplie
d'air.
Option
2 :
utiliser une colonne rigide remplie d'eau.
Option
3 :
tester une colonne souple faite de matelas transparents remplis d'eau
claire.
En vue de reproduire en laboratoire les conditions d'opacité pouvant
être retrouvées dans des eaux boueuses, et de créer
un puits de lumière, nous nous sommes procuré le matériel
suivant :
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Matériel |
Aquarium de 4,5 gallons
Agitateur (pompe d'aquarium)
Colonne rigide remplie d'air
(bocal étroit d'une hauteur de 25 cm)
Colonne rigide remplie d'eau claire
(2e bocal étroit d'une hauteur de 25 cm)
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Colonne de matelas d'eau claire
(sacs à fermeture hermétique remplis d'eau claire
retenus dans un filet suspendu à des bouées)
Épave (bateau miniature)
Boue (cacao)
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Nous avons également obtenu un lecteur de pieds-chandelles pour
mesurer l'intensité lumineuse, et une lampe équipée
d'une ampoule de 40 watts pour simuler la source de lumière.
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L'expérience |
Nous avons divisé notre expérience en trois étapes
:
 Étape
1 - Simulation des conditions d'eau boueuse
Nous avons rempli l'aquarium d'eau, à une hauteur de 20 cm. Puis,
nous avons rendu l'eau « boueuse » en y mélangeant une
quantité suffisante de cacao. Pour nous assurer de l'opacité
de l'eau, nous avons surélevé l'aquarium et observé
que l'intensité lumineuse, provenant du fond de l'aquarium, était
bel et bien à zéro pieds-chandelles.
Étape 2 - Préparation des puits
de lumière
a) Colonne
rigide remplie d'air (Option 1)
Nous avons employé un vase en verre, vide et transparent, que nous
avons plongé dans l'aquarium. (Dans des conditions réelles,
nous aurions utilisé un matériel résistant pour fabriquer
notre colonne. Nous l'aurions plongé de force dans l'eau boueuse,
à proximité de l'épave, et l'aurions immobilisé
à l'aide de câbles fixés à des blocs de béton).
b) Colonne
rigide remplie d'eau claire (Option 2)
Nous avons utilisé un vase transparent, rempli d'eau claire, et
nous l'avons plongé dans l'aquarium. (Dans des conditions réelles,
nous aurions utilisé une matière transparente autre que
le verre et nous aurions fixé la colonne rigide remplie d'eau claire
au-dessous de l'épave. La colonne aurait été attachée,
à la surface, à un quai flottant et maintenue immobile,
au fond de l'eau, par des câbles reliés à quatre blocs
de béton entourant le site archéologique).
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c) |
Colonne
souple formée de matelas transparents remplis d'eau claire (Option
3) |
Nous avons rempli d'eau claire plusieurs « matelas » ou sacs à
fermeture hermétique, en laissant un peu d'air à l'intérieur
de chacun. Afin qu'ils tiennent en place au-dessus de notre « épave »,
nous avons suspendu notre filet (sac d'oignons) à des bouées
(flotteurs). Puis nous y avons empilé nos matelas d'eau claire
pour qu'ils forment une colonne jusqu'à la surface de l'épave.
Grâce aux bulles d'air dans les sacs, ceux-ci ont exercé
une pression vers le haut, flottant donc à quelques centimètres
au-dessus de l'épave (laissant, dans des conditions réelles,
suffisamment de place à un plongeur éventuel pour circuler).
Étape
3 - Mesure de l'intensité lumineuse
Pour chacune des options, nous avons mesuré, à l'aide d'un
lecteur de pieds-chandelles et d'une lampe de 40 watts, l'intensité
lumineuse obtenue à l'extérieur de l'aquarium, ainsi qu'à
la sortie d'un puits de lumière de 25 cm. Nous avons enfin mesuré
l'intensité lumineuse à travers 3 cm d'eau « boueuse »
située au-dessous du puits de lumière (dans cet espace relatif,
requis par les plongeurs, dans des conditions réelles, pour effectuer
leur travail). Voici les résultats de cette analyse :
Tableau 1 - Intensité lumineuse des puits de lumière
*
| Puits de lumière Intensité lumineuse
claire |
Lumière ambiante (aucun puits de lumière) |
Colonne rigide et transparente de 25 cm remplie
d'eau |
Colonne rigide et transparente de 25 cm remplie
d'eau claire |
Colonne de matelas transparents remplis d'eau |
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Option 1 |
Option 2 |
Option 3 |
| À l'intérieur de l'eau (25 cm
de profondeur) |
9 p.-c. |
11 p.-c. |
12 p.-c. |
10 p.-c. |
| À l'issue du puits de lumière
(25 cm de profondeur) |
0 p.-c. |
14 p.-c. |
15 p.-c. |
9 p.-c. |
| À travers 3 cm d'eau boueuse au-dessous
du puits de lumière |
0 p.-c. |
6 p.-c. |
8 p.-c. |
5 p.-c. |
* mesurée à l'aide d'une lampe
avec ampoule de 40 watts et d'un lecteur de pieds-chandelles.
Afin de confirmer notre capacité de voir jusqu'au fond de
l'eau, nous avons posé au fond de l'aquarium notre mini-épave
et des objets à reconnaître (ex : monnaie, ustensiles, etc.).
Nous avons éclairé nos différents puits de lumière
à l'aide de la lampe, et avons cherché à identifier
les caractéristiques des objets au fond de l'aquarium. Ainsi, nous
avons pu facilement reconnaître les couleurs, les formes et les
écritures sur les différents objets.
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L'analyse et la discussion |
Dans l'ordre, c'est la colonne rigide remplie d'eau claire qui a donné
les meilleurs résultats en termes d'intensité lumineuse,
soit 15 p.-c. à la sortie du puits de lumière; elle est
suivie par la colonne rigide remplie d'air (14 p.-c.) et, enfin, par les
matelas transparents superposés (9 p.-c.). Malgré les différences
observées, tous les puits de lumière que nous avons fabriqués
ont donné des résultats satisfaisants, car ils ont transmis
au moins l'équivalent de la lumière ambiante mesurée
à la surface de l'eau, c'est-à-dire 9 p.-c. Donc, sous réserve
de confirmer notre hypothèse dans des conditions réelles
d'eau boueuse, nous estimons que tous nos puits de lumière seraient
en mesure d'apporter l'éclairage voulu aux équipes de chercheurs
sous-marins.
Cela dit, afin de départager les 3 options, nous avons analysé
leur faisabilité technique. Pour ce faire, à partir de nos
recherches et consultations, nous avons comparé les options sous
quatre aspects (comme si elles étaient vraiment appliquées
dans des conditions réelles à 10 m de profondeur) : 1) facilité
de déplacement et d'installation; 2) résistance aux vagues
et courants marins; 3) niveau de sécurité; et 4) coûts
relatifs. Voici les résultats de cette comparaison :
Tableau 2 - Faisabilité technique
Puits de lumière
(Intensité lumineuse claire) |
Lumière ambiante
(aucun puits de lumière) |
Colonne rigide et transparente de 25 cm remplie
d'eau |
Colonne rigide et transparente de 25 cm remplie
d'eau claire |
Colonne de matelas transparents remplis d'eau |
| |
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Option 1 |
Option 2 |
Option 3 |
| À l'intérieur de l'eau (25 cm
de profondeur) |
9 p.-c. |
11 p.-c. |
12 p.-c. |
10 p.-c. |
| À l'issue du puits de lumière
(25 cm de profondeur) |
0 p.-c. |
14 p.-c. |
15 p.-c. |
9 p.-c. |
| À travers 3 cm d'eau boueuse au-dessous
du puits de lumière |
0 p.-c. |
6 p.-c. |
8 p.-c. |
5 p.-c. |
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Conclusions |
Dans le cas de l'Option 1 - soit la colonne rigide remplie d'air - la
forte pression (vers le haut) ressentie en tentant de plonger la colonne
dans seulement 25 cm d'eau nous porte à conclure que cela ne fonctionnerait
pas du tout, à moins que le site de la fouille ne se retrouve qu'à
1 seul mètre de profondeur.
Pour ce qui est de l'Option 2 - la colonne rigide remplie d'eau claire
- c'est certainement celle qui offre les meilleurs résultats, si
on mesure le degré d'intensité lumineuse transmise à
partir de la surface de l'eau. Par contre, cette colonne rigide remplie
d'eau claire nous préoccupe par les multiples dangers auxquels
elle expose les plongeurs et le site de la fouille; nous doutons, entre
autres, de sa capacité de résister aux vagues et aux courants
marins.
Enfin, dans le cas de l'Option 3 - les matelas transparents remplis d'eau
- nous avons constaté que la dite colonne se transporte et s'installe
facilement, s'adapte aux courants marins et offre une grande sécurité.
De plus, elle serait relativement peu coûteuse à mettre en
place et à entretenir. Quant à l'intensité lumineuse
qu'elle laisse passer, il y aurait moyen, en travaillant avec un fabricant
de lits d'eau, de trouver une matière plastique encore plus transparente
que nos sacs hermétiques. Nous recommandons donc que l'Option 3
soit retenue et que les possibilités techniques et commerciales
de sa réalisation soient étudiées sérieusement
dans des conditions réelles. À partir de là, nous
pourrions nous-mêmes perfectionner la conception de notre puits
de lumière, et même envisager des options encore plus futuristes,
comme l'utilisation d'un puits de lumière fabriqué de fibres
optiques. D'ailleurs, lorsque nous avons communiqué les résultats
de nos expériences à monsieur Grenier, il en était
ravi; il a même envisagé de faire l'essai de la colonne de
matelas d'eau sur la rivière Gatineau, dès l'été
1998.
Enfin, sachez que nous sommes ravies des résultats de cette expérience.
Nous souhaitons vivement avoir l'occasion, dans un avenir rapproché,
d'aller jusqu'au bout de cette initiative, afin de trouver une solution
définitive à ce problème vécu par les archéologues
sous-marins.
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© 2002, Conseil de développement du loisir scientifique
(CDLS). Ce document est distribué par le Conseil de
développement du loisir scientifique.
Visitez le www.cdls.qc.ca
pour obtenir de plus amples renseignements. |
Les opinions exprimées
dans ce texte sont celles des auteurs et ne reflètent
pas nécessairement le point de vue de Merck Frosst ou de
ses employés. |
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Option
1 :
