©Planeterrella Un simulateur d’aurores polaires
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Classes préparatoires scientifiques : TIPE

Le travail d’initiative personnelle encadré, ou TIPE, est une épreuve de concours d’entrée aux Grandes écoles scientifiques françaises. Le but est de faire découvrir la démarche scientifique par un travail d’investigation personnelle. Les étudiants sont invités à contacter les chercheurs, à leur rendre visite. Chaque année, des étudiants choisissent les aurores polaires, ou des thèmes associés (météorologie de l’espace...). A ce niveau d’études, il devient possible de fabriquer des Terrellas (les Planeterrellas sont encore hors de portée) sans l’intervention permanente d’un professeur


TIPE 2012 Lycée Descartes à Tours : Boris Leroux

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Pour des raisons de sécurité, Boris n’a pas pu disposer d’un générateur à haute tension. Astucieusement, il utilise donc une machine de Wimshurts.Il utilise une sphère en Laiton pour la "terrella" et une sphère pour la cathode. Son protocole d’expérience se trouve dans le document.

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TIPE 2013 Lycée Fabert à Metz : Quentin Persent

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Quentin ne s’est pas contenté de monter une Terrella, il a s’est également attaqué à la modélisation numérique qui l’a mené vers des notions aussi compliquées que le miroir magnétique. Une résolution d’équations bien trop compliquées pour n’importe quel logiciel mathématique, et une bonne approche à la recherche scientifique.


TIPE 2012 Lycée Bergson à Anger : Baptiste Hueber

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Le 29 mai 2012, après plusieurs échanges de mails, Baptiste m’écrivait : "Je vous écris pour vous prévenir de la réussite de mon expérience et je vous joins la photo du montage et du résultat. Grâce à vos conseils, j’ai pu déterminer la cause des premiers échecs : la pression dans la cloche à vide. En effet la cloche est très peu utilisé en lycée et son état n’est pas souvent vérifié. Après plusieurs réglages, la pression a pu descendre suffisamment pour obtenir un résultat probant. J’ai ainsi d’abord placé un aimant sphérique et un fil puis j’ai ensuite remplacé le fil par une sphère en polystyrène entouré d’aluminium". C’était le résultat d’un excellent travail expérimental.

Baptiste s’est alors attaqué à la modélisation sur le thème de l’année "invariance et similitudes". Sur un solver il a représenté la terre et ses lignes de champ sans tenir compte du vent solaire pour visualiser le trajet d’une particule lorsqu’elle atteint la Terre, et voir dans quels cas elle l’atteint et la forme de la trajectoire.


TIPE 2011 : Alexandre Andrieux

Alexandre s’est lancé dans l’ambitieux projet de modéliser la magnétosphère de Jupiter. En mars 2011, je recevais une série de courriels d’Alexandre. En voici un extrait :
" J’ai commencé à m’intéresser un peu à la MDH, j’ai un écrit d’un certain V.M. Vasyliunas intitulé ’Physics of Magnetospheric Variability’ (2010). Je découvre en ce moment l’équation de Parker, la ’plasma momentum equation’ (qui a l’air de découler de l’équation de Navier-Stokes en mécanique des fluides) liant un peu toutes les grandeurs qui interviennent dans l’étude des champs dans le plasma.
J’essaie de l’exploiter pour obtenir des résultats dans des cas simples : régime établi, champ de masse volumique indépendant du temps... enfin j’essaie de faire résoudre les équations différentielles par le logiciel pour afficher les divers champs, scalaires ou vectoriels."

Contacter des auteurs de livres est une superbe démarche. Il fallu nous mettre à trois chercheurs, Philippe Zarka à Meudon, Marianne Faurobert à Nice, et moi pour aider Alexandre et répondre à toutes ses questions. Il m’a aussi mis en copie d’un courriel à Marianne Faurobert :
" Le résultat le plus surprenant et intéressant que j’ai obtenu jusqu’à présent, je le joins en image, en rappelant l’un de mes objectifs : modéliser l’éjection de matière du satellite Io de Jupiter dans le tube de flux qui le relie à la planète et dans le fameux tore de plasma.
Dans l’espace où deux corps créent des champs magnétiques (deux magnétosphères simplifiées, en somme), l’un créant un champ 10 fois plus intense que l’autre, je lance une particule depuis l’un des pôles du plus petit corps et j’observe trois comportements au cours du temps :
La particule effectue des va-et-vient entre les deux corps tout en se déportant vers l’équateur (ce qui correspond à l’augmentation de l’angle thêta dans un système de coordonnées sphériques), puis une fois arrivée à l’équateur, la particule part en révolution autour du corps central, tout en effectuant d’autres va-et-vient entre les pôles de ce dernier, mais de faible amplitude.
Une fois que la particule a fait un tour complet, suivant où elle arrive, elle peut repartir en aller retours soit entre les deux corps (en dessous ou au dessus), soit entre les pôles du petit corps, sur la face opposée au corps central (comme une demi ceinture de Van Allen) : la particule adopte ces types de comportement de manière chaotique plusieurs fois.
Cependant, réflexion faite, ce comportement ’cinématique’ d’une particule isolée n’est surement pas observable, et l’étude MHD est sans doute plus pertinente, ne serait-ce qu’à cause du fait qu’au sein de la magnétosphère de Jupiter, le plasma se déplace plus vite que Io : impossible, donc, d’observer de telles oscillations de particules chargées, même si les trajectoires sont plutôt jolies :) "
Voilà pourquoi je vais m’intéresser à la magnétohydrodynamique à présent, surtout que la mécanique des fluides est l’objet de mes cours de physique en ce moment !"

Après sa classe préparatoire, il a intégré l’une des écoles d’ingénieurs les plus renommées (Centrale Lyon) et de partir en stage en Australie.

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TIPE 2014 : Sylvain Maruejols

Sylvain était élève en prépa maths du lycée Champollion à Grenoble. Il a préparé son TIPE sur les aurores, et m’a contacté tout de suite. Il est venu au laboratoire voir la Planeterrella et, avec l’aide de son professeur monsieur Marsal, a construit sa propre Terrella. Il a rencontré beaucoup de problèmes, qu’il a su résoudre avec habileté : fuite d’air, test de graisses et de colles, construction de sphères en plastique collées à l’alu, ou en zinc … Une boule en plastique s’est ouverte en deux sous l’effet de la baisse de pression : il a ensuite percé un trou pour laisser s’échapper l’air.
Mais tout s’est bien fini : il a réussi à reproduire de superbes ovales auroraux et finalement, a obtenu un 18.5/20 a l’épreuve de tipe !

Son rapport est ici (comme toujours : ne jamais faire du copier-coller, ça s’appelle du plagiat. Vous verrez que Sylvain s’est beaucoup inspiré de ce site : de façon tout à fait éthique, il cite toujours les sources de ses illustrations. Et cela ne l’a pas empêché d’avoir une note excellente, bien au contraire).

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Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG)