Des modèles pour les séismes
Pour faire comprendre comment se déroule un séisme, on n'a pas le choix, on présente des modèles sensés montrer les différents phénomènes qui le composent.
Aucun modèle ne permet de tout expliquer. Ce qui convient, c'est de délimiter précisément ce que chaque modèle est sensé représenter, étant donné qu'il trahit toujours en partie la réalité.
Nous proposons 6 modèles :
- 1 : un modèle pour visualiser la propagation des ondes sismiques avec un jouet du commerce
- 2 : un modèle pour voir des ondes sous forme de ronds dans l'eau
- 3 : un modèle qui illustre la notion d'accumulation de tension
- 4 et 5 : Deux modèles pour illustrer les effets des séismes sur les constructions
- 6 : un modèle qui montre les effets d'un séisme à l'épicentre
1- La propagation des ondes sismiques
Ce jouet s'appelle un slinky, ou encore un "ondamania". S'agissant d'un grand modèle, il est possible de l'étirer à travers toute la salle de classe.
En donnant une simple pichenette à une extrémité, on voit bien l'onde se propager jusqu'à l'autre extrémité et revenir pour plusieurs allers-retours.
Que se passe-t-il si on frappe plus fort ? L'onde effectuera plus d'allers-retours, mais toujours à la même vitesse.
Ce modèle en plastique de grande taille se déniche pour moins de 5 euros dans les boutiques discount ou les brocantes.
2- Voir les ondes sur une surface d'eau
Le modèle qui consiste à faire des ronds dans l'eau est toujours bon à prendre, à condition de faire un peu plus que de constater ce qui se passe.
Par exemple, dans le modèle ci-contre, il s'agit de faire tomber une goutte d'eau de plus en plus haut et de déterminer pour quelle hauteur l'onde qui se déplace à la surface de l'eau rebondit une fois sur la paroi, deux fois, trois fois...
On peut ainsi, de façon assez approximative, illustrer la notion de magnitude.
La règle utilisée ici provient d'un banc d'optique emprunté au labo de physique
Une variante peut consister à faire tomber une pile de livre sur la table à proximité du récipient. En la faisant tomber un peu plus loin, on constate que les ondes effectuent moins de rebonds.
Cette manipulation illustre l'idée que les ondes sismiques s'amortissent avec la distance entre le foyer et l'épicentre.
3- La notion d'accumulation de tension
Une craie fixée à un support, une épuisette munie d'une charge qui lui est suspendue, à quoi peut bien servir ce montage ?...
Il sert à illustrer deux notions...
La première est l'idée qu'un matériau peut céder sans aucun choc, mais suite à l'énergie accumulée, comme pour un séisme.
En effet, au bout d'un certain temps, la craie finit par céder dès lors que la contrainte accumulée l'aura suffisamment fragilisée.
Il ne faut pas placer la charge trop loin car sinon, la craie cède tout de suite et c'est ce qu'on veut éviter.
Il faut faire plusieurs essais pour parvenir à un réglage "acceptable, sinon précis.
L'autre est le caractère imprévisible des séismes :
Malgré les recherches, on ne sait toujours pas prévoir la survenue d'un séisme... c'est exactement la même chose pour la rupture de la craie.
Et si la craie n'a toujours pas cédé à la fin de la séance ? Ça peut arriver et ce n'est pas si gênant. Cela illustre bien la notion d'imprévisibilité. Il m'est arrivé d'attendre une semaine, sans tricher, bien sûr.
4- Les effets des séismes sur les bâtiments
Encore des craies !
Celles-là sont toutes disposées debout sur une table. Nul doute que le coup de marteau devrait les faire tomber.
Imaginons que ces craies représentent une ville avec ses immeubles et le coup de marteau un séisme...
Celui-ci se manifeste par un choc et c'est ce qui justifie la manipulation précédente. En effet, chaque modèle n'illustre qu'un aspect, en trahissant parfois les autres.
Ce qui compte dans ce modèle, c'est d'obtenir quelque chose de contre-intuitif : on s'attend à ce que la craie située juste à la verticale du coup de marteau soit celle qui va tomber le plus facilement.
Le résultat est tout autre et contredit cette idée :
Comment cela peut-il s'expliquer ? sans doute parce que certaines craies sont mieux taillées que d'autres.
Quel rapport avec les séismes ? Si les craies représentent des bâtiments, alors une craie mal taillée fait penser à un bâtiment mal construit. Il va céder même s'il est éloigné de l'épicentre, c'est-à-dire du lieu d'impact du marteau.
C'est la notion de risque sismique lié à la qualité des constructions qui est illustrée par ce modèle.
"Illustrée" et non "expliquée", car il ne faut pas accorder la moindre valeur scientifique à ce modèle. Il est là pour faire comprendre, rien d'autre.
5- La même idée, avec des Kaplas
Imaginons deux constructions semblables faisant penser à la Grande Arche de la Défense.
La plus fragile, celle qui utilise le moins de matériaux, cède au séisme-marteau. C'est normal, elle a coûté moins cher... même chose pour les bâtiments qui ne seraient pas parasismiques.
6- Montrer les effets d'un séisme à l'épicentre
Il s'agira de placer sur la table des nouilles crues en cercles concentriques.
C'est un peu fastidieux à faire, on peut utiliser des récipients ronds de différents diamètres.
Ensuite, on frappe par en-dessous...
Si le montage est bien fait, on devrait voir les nouilles du centre bouger plus que celles de la périphérie.
Va-t-on faire toutes ses manipulations ? Pourquoi pas...
Un procédé pédagogique qui s'applique bien à cette situation est de faire travailler les élèves par groupes, chacun d'eux ayant en charge une manipulation. Le groupe reçoit un protocole plus ou moins détaillé selon l'importance qu'on donne à la démarche d'investigation.
On va demander à chaque groupe de présenter sa manipulation sous forme d'un tableau à deux colonnes, l'une d'entre elle concerne le modèle, l'autre le phénomène sismique qu'il illustre. Ainsi, on montre qu'il s'agit bien d'un modèle qui illustre et non d'une expérience qui démontre.
On peut associer le travail à la prises de mesures du phénomène. Enfin, on peut demander à chaque groupe d'exposer oralement au reste de la classe le bilan de sa démarche d'investigation.
L'ensemble de l'étude peut prendre deux séances. L'expérience montre qu'elle motive beaucoup plus les élèves que les traditionnelles études de documents qui ne manqueront pas au cours de ce chapitre consacré à la dynamique interne du globe.