Éloge du bilame

La physique vise à comprendre l'univers dans son ensemble, de ses origines à aujourd'hui, de l'infiniment petit à l'infiniment grand… mais de façon plus concrète, elle nous permet aussi d'éclaircir les petits mystères de notre quotidien et de comprendre les rouages derrière notre confort moderne. Prenez l'exemple du bilame, ce dispositif si simple et ingénieux.

Extrêmement utile, le bilame ne paye pourtant pas de mine : comme son nom l'indique, il est constitué de deux « lames » en métal soudées l'une à l'autre – rien de plus, rien de moins. Rien d'exceptionnel à première vue, donc, mais chauffez-le et vous observerez quelque chose de surprenant : les lames, rigides à température ambiante, se plient soudain… et reprennent leur forme d'origine dès qu'on les refroidit !

Comment est-ce possible ? Sous l'effet de la chaleur, la plupart des matériaux augmentent de volume : on parle de dilatation thermique. Ce phénomène est loin d'être négligeable : au plus grand est l'objet et au plus importante est l'augmentation de température, au plus grande sera sa dilatation.

La variation de longueur {$$ d'un matériau sous l'effet d'une variation de température {$$ est donnée par : {$$$$} Dans cette formule : {$$ est la variation de longueur en mètres {$$ {$$ est le coefficient de dilatation thermique linéaire en Kelvin exposant -1 {$$, qui dépend du matériau considéré ({$$ pour l'acier, par exemple) {$$ est la longueur initiale en {$$ {$$ est la variation de température en {$$ ou {$$

Ainsi, une barre d'acier de 40 mètres gagne environ 1,5 centimètre de longueur tous les 30°C. Proportionnellement, c'est petit – mais cela peut avoir de fâcheuses conséquences : imaginez par exemple qu'il s'agisse de rails de train ! C'est pour cette raison que l'on laisse généralement un petit espace entre les rails (espace qui est responsable du « clac-clac » caractéristique d'un train roulant à basse vitesse) : ils ont ainsi la place nécessaire pour se dilater sans se tordre.

Tous les matériaux ne se dilatent pas de la même façon avec la température : ils ont chacun un coefficient de dilatation thermique différent, qui caractérise leur élongation sous l'effet de la chaleur. Pour une même différence de température, une barre en cuivre s'allongerait non pas de 1,5 centimètre comme la barre d'acier de notre exemple précédent, mais de plus de 2 centimètres !

C'est sur cette différence entre matériaux que se base le fonctionnement d'un bilame : les deux métaux qui le composent ont en effet des coefficients de dilatation différents. La lame qui a le coefficient le plus grand devrait en principe s'allonger plus que l'autre mais, étant soudée à celle-ci, elle ne peut y parvenir qu'en se tordant ! La partie extérieure d'un objet courbé est en effet moins longue que sa partie intérieure :

L'une des utilités évidentes du bilame est qu'il peut servir de thermomètre. Un bilame enroulé en spirale se dépliera en effet progressivement si on le chauffe : si on y fixe une petite aiguille, on obtient donc un thermomètre à cadran rudimentaire !

C'est toutefois principalement dans les circuits électriques que l'on utilise les bilames aujourd'hui. Un bilame peut en effet servir à allumer ou éteindre n'importe quel appareil électrique lorsqu'il atteint une certaine température. Il suffit pour cela de l'inclure dans un circuit électrique de façon telle qu'il n'y ait contact (donc passage du courant) que lorsqu'il est suffisamment chaud pour être déformé ou, au contraire, que le contact soit rompu lorsqu'il est trop courbé.

Un bilame enroulé se déplie sous l'effet de la chaleur (à gauche), phénomène qui est utilisé dans certains thermomètres (à droite)
Images : Wikimedia Commons

Les applications ne manquent pas dans la vie de tous les jours : le thermostat du chauffage, du four ou du fer à repasser, le système d'arrêt de la bouilloire électrique, ... Vous avez certainement entendu des centaines de fois sans le savoir le claquement caractéristique d'un bilame qui se courbe et rompt le contact.

Les bilames jouent donc un rôle « d'interrupteurs thermiques » : ils laissent ou non passer le courant en fonction de la température. Pour qu'un bilame se courbe à une température précise, il suffit de choisir des métaux avec des coefficients de dilatation adaptés.

Et les applications du bilame ne s'arrêtent pas là : il a aussi longtemps été une composante importante des clignotants de voitures. L'alternance allumé/éteint y vient du fait que, quand le courant passe à travers le bilame, celui-ci chauffe suffisamment pour se déformer et empêcher le passage du courant. Sans courant, il refroidit rapidement et retrouve rapidement sa position initiale, ce qui permet au courant de passer à nouveau, et ainsi de suite. Le résultat : l'ampoule reliée à ce circuit clignote... avec un petit bruit de claquement caractéristique !

...ou en tout cas, c'est comme cela qu'ont fonctionné les clignotants pendant des dizaines d'années. À l'heure actuelle, les bilames des clignotants ont été remplacées par des systèmes électroniques silencieux. Les concepteurs de voitures ont donc été forcés d'imiter le bruit des clignotants, si doux à notre oreille (ou peut-être juste à la mienne), par des simulacres plus horribles les uns que les autres.

Vive le progrès !

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Classement

                   Auteur(s) : Ariane R et Franck Stevens

                   Catégorie : Article

                   Discipline(s) : Physique, Technologies

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