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 | | Faculté des Sciences
Jour après jour, mieux comprendre ce qui nous entoure et faire reculer les limites de l'inconnu... Modestement, mais inlassablement, contribuer à la marche de l'humanité... Progresser... C'est le but quotidien de tout scientifique.
La Faculté des sciences propose une formation qui développe chez l’étudiant curiosité intellectuelle, esprit critique et rigueur de raisonnement. Pour cela, l'accent est mis en permanence sur la complémentarité entre cours théoriques, manipulations expérimentales et applications pratiques.
Chaque section de la Faculté inscrit son enseignement dans ces principes, pour former des scientifiques capables de faire face aux innombrables défis de notre temps dans l’exercice de métiers aussi passionnants que diversifiés.
Département de Mathématique Département d'Informatique Département de Physique Département de Chimie Département de Biologie Département de Géographie Département Sciences de la terre et environnement Parcours des Sciences Département de Mathématique Manhattan et la taxi-distance A Manhattan, le chauffeur de taxi mesure la distance entre deux carrefours en ajoutant les mètres parcourus le long des avenues à ceux parcourus le long des rues. Il remplace donc la distance habituelle (ou euclidienne) par une autre, souvent appelée la taxidistance. Que deviennent les notions classiques de géométrie plane une fois appliquées à la taxidistance ? A titre d'exemple, les cercles sont ... carrés ! Mais alors qu'en est-il des médianes, médiatrices, paraboles, hyperboles, etc. ? Des réponses, souvent surprenantes, seront présentées.
Comment améliorer la circulation à Bruxelles ? Circuler à Bruxelles aux heures de pointe est un casse-tête : les voitures sont prises dans les embouteillages et les transports en commun restent assez lents. Deux mesures permettraient d'améliorer la circulation. La première est d'instaurer des taxes sur certains axes particulièrement chargés. Ainsi, les gens seraient incités à laisser leurs véhicules aux frontières de Bruxelles et à recourir plutôt au transport public, au vélo, à la marche, etc. La seconde mesure vise à améliorer le service offert par les transports en commun, grâce à une meilleure gestion des transferts entre trams, bus et métros. Lorsqu'une rame de métro a pris du retard, faut-il faire attendre les bus que devraient emprunter certains voyageurs de la rame ? Les avantages pour ces voyageurs sont clairs, mais les inconvénients pour d'autres voyageurs le sont aussi. Tant le choix des taxes à instaurer que la gestion globale des retards posent de jolis problèmes mathématiques, qui relèvent de la recherche opérationnelle.
Cheminer dans la ville
A partir du plan d'une ville, comment construire de manière optimale (1) un parcours qui passe par toutes les artères, (2) un circuit qui visite tous les lieux, (3) un chemin le plus court entre deux endroits, (4) le phasage des feux tricolores à un carrefour ? Ces questions se traduisent en problèmes sur des objets mathématiques simples, appelés graphes. Leur résolution est parfois élémentaire (1), ardue (2 et 4), réalisable par algorithme (3). Elle sera illustrée par des exemples et même des jeux, comme celui de réaliser le dessin d'une maison sans lever le crayon. Les résultats mathématiques sous-jacents sont aisément compréhensibles. Leurs preuves seront suggérées sur des illustrations et animations.
Département d'Informatique Problèmes de circulation en temps réel:
vérification et réalisation en Lego Mindstorm:
La vérification de systèmes distribués ne peut se résumer à quelques essais
car le nombre de cas de combinaisons temporelles explose rapidement avec
la complexité du problème et il est très difficile de maîtriser
explicitement ces combinaisons; dès lors, en fonctionnement réel, il est
possible qu'une application tourne parfaitement pendant des années, avant
qu'un concours malheureux de circonstances conduise à une catastrophe
majeure. Des techniques ont alors été mises au point pour analyser et vérifier, partiellement ou complètement, de tels codes. Les étudiants ont
ici vérifié avec le logiciel Spin un protocole d'exclusion mutuelle,
destiné à ce que plusieurs véhicules ne se retrouvent pas ensemble au même
moment dans des zones critiques, comme des carrefours. Ils ont aussi réalisé en Lego Mindstorm un tel environnement.
Gestion distribuée de trafic ferroviaire
Lorsqu'un problème devient trop complexe, il peut être intéressant de le
découper (diviser pour régner) et de réaliser chaque morceau sur une
machine distincte. Il convient cependant de prévoir des communications et
synchronisations entre les divers acteurs pour réaliser l'articulation
entre les divers morceaux du problème. Les étudiants ont ici simulé un
réseau international de chemin de fer, où chaque pays gère séparément son
propre réseau mais où il faut prévoir les passages de frontière des trains.
Un ordinateur supplémentaire s'occupe de l'interface graphique.
Modélisation de la collecte d'objets dans une ville
Les étudiants étudient ici diverses stratégies utilisables pour optimiser
la récolte d'objets en divers points d'une agglomération. Ce qui complique
la situation, c'est qu'il y a plusieurs compagnies concurrentes qui
opèrent simultanément, et que donc des objets que l'on prévoit de récolter
plus tard peuvent être entretemps récupérés par des concurrents. Un
programme de simulation paramétrique permet de combiner les divers cas et
d'étudier statistiquement leurs performances.
Algorithmes-fourmis
Des techniques d'intelligence artificielle peuvent être utilisées pour détecter les plus courts chemins entre deux points, et réagir dynamiquement et automatiquement à des changements d'environnement
(routes coupées, feux en panne, engorgements passagers, ...). Les algorithmes-fourmis se basent sur une analogie avec des insectes sociaux.
Les véhicules-fourmis déposent sur leur chemin des "phéromones" volatils,
à l'aller comme au retour, mais si le chemin est trop long ces traces
n'auront pas l'occasion de se renforcer avant de se dissiper. Les véhicules
choisissent leur chemin en fonction de la quantité de phéromones résiduels
(par tirage aléatoire proportionnel, ce qui défavorise mais ne supprime
pas les chemins alternatifs qui pourraient se révéler intéressants plus
tard, si les conditions changent). Si le trafic est suffisant et si les
paramètres sont bien choisis (volatilité, tirages aléatoires, ...), les
performances de ces algorithmes peuvent être intéressantes, et c'est ce
que montre la simulation des étudiants.
Réalisation de jeux en réseau: exemple du whist
La distribution d'applications sur plusieurs machines peut répondre à
une recherche de performance, mais elle peut aussi répondre à des
contraintes intrinsèques. Ainsi, dans le cas de jeux entre joueurs
éparpillés géographiquement et disposant chacun de son propre ordinateur
connecté à un réseau, il est normal d'avoir une application naturellement
distribuée. C'est ce que montrent ici les étudiants: chaque joueur a (ou
peut avoir) sa machine et un gestionnaire du jeux gère les regroupements de joueurs en tables virtuelles et les parties sur chaque table.
Gestion des achats dans une chaîne de magasins
Les étudiants ont ici simulé une chaîne de magasins et ses clients;
les clients s'inscrivent auprès de la chaîne et choisissent une ligne de crédit; ils peuvent demander la liste des articles vendus (avec leur prix), afficher l'état de leur compte et passer une nouvelle commande;
si les articles sont disponibles, dans les quantités demandées, dans la succursale la plus proche, le client peut aller y chercher sa commande; sinon, des transferts sont effectués avant que le client ne puisse être servi.
Carte d'identité électronique
La carte d'identité électronique, qui commence maintenant à être disponible
dans nos administrations communales, devrait faciliter certaines
opérations tout en assurant un niveau de sécurité et un respect de la vie
privée satisfaisant. Les étudiants expliquent ici les techniques utilisées
pour atteindre ces objectifs, et examinent dans quelles mesures ils sont
atteints. Ils exposent aussi le type de lecteur utilisable pour exploiter
ces cartes.
Modélisation distribuée du trafic automobile
Supposant que l'on dispose de diverses machines pour étudier et réguler
le trafic automobile dans une mégalopole, mais que l'on ne sait pas a priori quelles sont ces machines, l'application commence par analyser de combien de machines elle dispose actuellement et comment y accéder.
Ensuite la mégalopole est divisée en autant de morceaux, chaque machine
s'occupe du morceau qui lui a été affecté et transmet aux machines
voisines les informations nécessaires pour récupérer les véhicules sortant
de son morceau et entrant dans le leur. Chaque machine fournit également
graphiquement la carte de son morceau, avec les véhicules qui s'y
déplacent en temps réel. L'application a été testée avec une dizaine de
machines et plusieurs dizaines de milliers de véhicules.
Département de Physique L’Emission des ondes radio
Ce travail se décompose en trois parties. La première contient une brève description d’un émetteur radio et explique son fonctionnement de manière générale. On y trouve aussi le schéma de l’émetteur réalisé et présenté lors du Printemps des Sciences. Les deux autres sections se concentrent sur deux phénomènes physiques utilisés dans les émetteurs: l’émission d’ondes électromagnétiques et l’effet piézoélectrique. Pour les ondes électromagnétiques, on étudie un modèle simple d’antenne réalisé par un fil rectiligne fin parcouru par un courant sinusoïdal. L’effet piézoélectrique (propriété, combinant effet mécanique et effet électrique, présente notamment dans les quartz) est décrit au point de vue microscopique. De plus, l’effet piézoélectrique étant trop compliqué à modéliser on décrit l’électrostriction qui est une propriété voisine.
La réception des ondes radio
Durant l’exposition, nous avons présenté la réception des ondes radio. Nous avons construit un petit récepteur AM très simple qui permettait aux visiteurs de comprendre le principe de la résonance et de la démodulation par un filtre passebas. Nous avons introduit de façon très légère la notion de modulation AM, sujet qui était plus longuement traité par le groupe présentant l’émission, pour ensuite se lancer dans l’étude détaillée du circuit.
On commence donc par expliquer ce que sont un condensateur et une bobine d’induction, et en quoi leur association en parallèle forme ce que l’on appelle un filtre passe-bande. Ensuite, on détaille le fonctionnement de la diode et son rôle en tant que redresseur de courant, en analysant sa structure et en étudiant sa caractéristique IV. Enfin, nous voyons comment un condensateur en parallèle avec la résistance de l’écouteur peut démoduler le signal reçu et redressé. On termine par le fonctionnement d’un écouteur, avec le passage d’un courant alternatif dans une bobine qui crée un champ magnétique variable à l’origine de la vibration de la membrane.
L’ aérodynamisme des ailes d’avions
Comme l’illustre le mythe d’Icare, les hommes ont toujours voulu vaincre leurs limites naturelles. Depuis Léonard de Vinci au XVIe a siècle jusqu’`aujourd’hui, ils n’ont jamais cessé d’inventer et de fabriquer des machines de plus en plus complexes et performantes pour parcourir le ciel. L’aérodynamisme a passionné et passionnera encore longtemps les rêveurs.
La principale raison de notre choix pour ce sujet est le manque de précision flagrant des documents scientifiques qui traitent des ailes d’avions et des phénomènes qui y sont liés. En effet, que ce soit sur internet, dans les livres de vulgarisation, et même dans certains livres de référence, les explications fournies à ce sujet sont souvent incomplètes, voire même fausses.
Nous avions donc décidé de faire un tri parmi les théories le plus souvent utilisées. Mais nous nous sommes vite rendu compte que vouloir réduire les phénomènes liés aux ailes d’avions à une théorie simple et intuitive est impossible sans grande perte d’information.
Les phénomènes liés aux ailes d’avions sont très complexes et ne permettent pas une explication intuitive à la fois simple et correcte. Les équations de Bernoulli et Newton sont clairement insuffisantes, et même si ces phénomènes interviennent, la force totale sur une aile n’est pas la somme des forces dues à Bernoulli et Newton.
Deux façons d’aborder le problème sont donc l’étude numérique et l’étude expérimentale. Chacune de ces deux approches permet, si les moyens mis en oeuvre sont suffisamment importants, d’obtenir des informations de grande qualité. Ceux-ci consistent pour l’approche numérique, en un nombre de mailles important où sera appliqué un modèle validé, et pour l’étude expérimentale, en une soufflerie recréant le système étudié réel qui permette des mesures très précises.
Mais dans chacune de ces approches, les approximations sont inévitables (le modèle ne représentera jamais parfaitement la réalité, à cause des effets de bords dans une soufflerie ou encore de l’incapacité mécanique de modifier librement tous les paramètres voulus lors d’une expérience).
Nous pouvons conclure que l’aérodynamisme est une science expérimentale en continuel progrès qui permet la réalisation de projets (de l’aéronautique à l’aérospatial) toujours plus impressionnants.
L'affichage LCD
Aujourd'hui de nombreux dispositifs d'affichage sont basés sur les propriétés des cristaux liquides.
La surface d'affichage se subdivise en de nombreux "pixels"; (picture elements). Ceux-ci s'allument ou s'éteignent en fonction de l'image à constituer. Ce travail aborde le principe de fonctionnement d'une cellule LCD (dans le cadre d'un affichage noir et blanc) ainsi que quelques généralités sur les cristaux liquides, pour ensuite approfondir la biréfringence et la transition de Frederiks.
Energies alternatives
L'objectif de notre travail était de présenter un sujet de la physique de manière attrayante et accessible au grand public. Nous avons choisi de parler d'une lampe de poche sans pile fonctionnant sur le principe de l'induction magnétique.
Nous commencerons par aborder brièvement le concept d'énergie. Pour rendre le sujet visuel, nous illustrerons les concepts de base de l'induction par une série d'expériences sur la chute d'un aimant à l'intérieur d'un tuyau conducteur et la lévitation magnétique (anneaux de Thomson). A propos d'énergies propres, nous exposerons également d'autres types d'énergies alternatives, notamment les panneaux solaires
Les spectres en astronomie
Nous avons choisi ce sujet sur les propriétés et les applications des spectres pour illustrer leur importance fondamentale. Tant au niveau de la recherche ou de la simple observation astronomique amateur, les spectres sont omniprésents. Ils offrent de précieuses informations et sont ainsi en astronomie un moyen d’observation incontournable. Cette science, par la force des choses, s’est développée et prend son origine dans l’observation de l’univers. Observation qui, depuis toujours, repose sur la lumière. Ainsi la lumière acquiert un caractère fondamental : comprendre les mécanismes de production, de diffusion, de réaction avec la matière de celle ci est un défi très important. Sans quoi l’astronomie par exemple ne serait pas grand chose...
Les lasers
A la théorie des lasers dans un premier temps, aux laser led's ensuite. Nous faisons finalement une incursion du côté des cristaux lasers.
Dans la théorie des lasers, nous exposons les évolutions théoriques en partant de la théorie du corps noir jusqu'à la théorie de l'émission stimulée d'Einstein.
Dans la partie consacrée aux laser led's, nous commençons par décrire une laser led. On discute ensuite de ses avantages et inconvénients, et nous comparons aux autres lasers. On aborde aussi le côté sécurité de ces lasers.
Finalement, dans la partie consacrée aux cristaux lasers, nous exposons les caractéristiques de plusieurs cristaux. Nous introduisons un peu de cristallographie et nous expliquons comment on fait pousser des cristaux lasers, ainsi que des cristaux de sels (dont nous donnons les recettes).
Département de Chimie Le énergies renouvelables
La bonne gestion des ressources énergétiques est un souci majeur pour un développement durable. Les concepts d’énergies renouvelables ou de piles à combustible illustrent différents processus de transformation d’énergie chimique en énergie utile avec un minimum de dissipation d’énergie perdue.
L'eau de la source au robinet
L’eau, ressource vitale, est inégalement accessible aux habitants de notre terre. La qualité de l’eau et sa bonne gestion constituent dès lors une responsabilité citoyenne à laquelle la chimie contribue.
Lumières dans la ville
Il est bien connu que la Belgique vue du ciel apparaît particulièrement éclairée de nuit : éclairage public et privé, signalisation, publicités…, autant de lumières dans la ville. La compréhension de la structure électronique de la matière a permis de développer des sources lumineuses aux propriétés intéressantes : production de lumière de la couleur souhaitée sans dissipation parasite de rayonnements inutiles, longévité, temps de réponse extrêmement courts. Il en résulte une plus grande efficacité alliée à une économie de consommation d’énergie et de maintenance des dispositifs.
Effet de serre
Le dioxyde de carbone est un constituant mineur (moins de 0.04%) présent naturellement dans l’atmosphère mais dont la concentration augmente dangereusement en lien avec l’industrialisation. Le rôle important de ce gaz dans l’effet de serre et les changements climatiques qui en résultent sont évoqués. Quelques expériences simples illustrent la réactivité du dioxyde de carbone.
Le pot catalytique L’ancien slogan « Ma voiture, c’est ma liberté » est tempéré aujourd’hui à la prise de conscience de l’impact majeur de la circulation automobile urbaine sur la qualité de l’air. La transformation de rejets polluants (monoxyde de carbone, oxydes d’azote, hydrocarbures imbrulés…) en composés peu ou pas nocifs a été rendue possible par la mise au point de catalyseurs spécifiques. Les principes de la catalyse sont illustrés par quelques expériences.
Département de Biologie L'arbre et la ville
Notre sujet évoquait les contraintes que la ville impose aux arbres (du moins les principales). C’est pourquoi nous avons choisi de parler :
du problème des sels de déneigements,
de l’importante perte d’eau des arbres due aux couloirs de vent que représentent certaines allées,
de la compaction des sols diminuant le développement racinaire et provoquant aussi le ruissellement de l’eau du sol directement vers les égouts,
de la non-restitution de la matière organique au sol, puisque les feuilles mortes ne sont pas les bienvenues en milieu urbain,
des dégagements de gaz nocifs pour les végétaux et enfin
de la lumière artificielle qui perturbe la photosynthèse.
Un troisième poster, plutôt didactique pour les enfants, insistait sur le fait qu’il ne faut pas choisir de planter tel arbre à tel endroit uniquement sur base de l’esthétique. Au contraire, il faut d’abord penser aux caractéristiques de l’arbre :
volume racinaire,
besoin d’absorption en eau,
taille,
résistance à la pollution et aux sels de déneigement et
développement racinaire superficiel ou non.
Ce n’est qu’une fois toutes ces contraintes respectées que l’esthétisme peut prendre part au choix de l’arbre à planter.
Les plantes exotiques envahissantes
Les plantes exotiques envahissantes sont des espèces introduites, volontairement ou non, par l'homme en dehors de leur aire de répartition naturelle, se propageant dans leur nouvel environnement et ayant un impact négatif sur la biodiversité autochtone. Les exotiques qui deviennent envahissantes ont un potentiel de croissance et de reproduction important. Ces espèces ne sont toutefois pas envahissantes dans leur région d'origine. On attribue ce phénomène au fait que leur expansion y est contrôlée par des prédateurs et maladies spécifiques, ces facteurs étant absents dans la région d'accueil. L'urbanisation joue un rôle important dans le processus d'invasion. Les perturbations qu'elle occasionne rendent les milieux plus sensibles à l'invasion et les nombreux axes de transport favorisent la dispersion de ces espèces. Du point de vue économique, les plantes envahissantes sont à la base de dépenses colossales notamment pour leur élimination. Les moyens de lutte sont divers (mécaniques, chimiques ou biologiques) mais aucun ne montre une totale efficacité jusqu'à présent. La meilleure méthode de lutte reste la prévention (limiter l'usage des exotiques en horticulture ; détecter et traiter précocement tout nouveau processus d'invasion).
Les allergies
Les allergies sont des réponses anormales du système immunitaire vis à vis de composés variés, présents dans notre environnement quotidien, appelés allergènes. Les allergies se manifestent par des symptômes bien connus tels que le rhume des foins ou l'eczéma mais peuvent parfois avoir des conséquences plus graves en entraînant des atteintes respiratoires ou même des chocs anaphylactiques qui peuvent mettre en danger la vie des patients.
Les pathologies allergiques sont en augmentation rapide dans les populations occidentales depuis plus de vingt ans. Ces maladies touchent de plus en plus les enfants et les personnes vivant en milieu urbain.
Dans ce projet du printemps des sciences 2005, nous exposons les hypothèses actuellement avancées par les chercheurs pour expliquer cette augmentation des pathologies allergiques. De plus nous proposons au public de découvrir par l'expérience, comment on peut dans un laboratoire, déterminer si une personne est allergique.
Département de Géographie Le marché immobilier bruxellois, reflet des rapports sociaux
Depuis quelques années, la problématique du logement en Région de Bruxelles-Capitale tend à prendre une place croissante, tant dans le discours des média et de la classe politique que dans le quotidien des bruxellois. Les problèmes identifiés sont de plusieurs ordres : accessibilité de plus en plus limitée pour les ménages à bas et moyens revenus, pénurie de logements, faiblesse de l’offre publique, spéculation immobilière etc. Les travaux présentés dans le cadre de l’Expo des Sciences ont pour objectif de lever le voile sur différents aspects de cette problématique. L’offre en logements sociaux est abordée par le biais d’une analyse socio-économique du public de ce segment du marché. La question de la pénurie de logements est envisagée sous l’angle des réserves foncières publiques bruxelloises dans la perspective d’évaluer le nombre de logements qu’il serait possible de construire dans le cadre d’un partenariat public-privé s’adressant à la fois aux ménages à bas et moyens revenus. Enfin, les dynamiques de la propriété, et les tendances spéculatives qu’elles sont susceptibles de recouvrir, sont analysées dans deux espaces caractéristiques des changements intervenus au cours des vingt dernières années, à savoir le quartier de la gare du Midi et celui de la rue Dansaert.
Département de Sciences de la Terre et environnement Le sismographe et l’activité sismique dans le monde
Le tsunami qui a frappé l’Asie du Sud Est le 26 décembre 2004, nous a rappelé que la terre n’est pas un astre éteint. Ce jour là, un séisme d’une magnitude de 9.3 sur l’échelle ouverte de Richter a eut lieu à l’ouest de l’île Indonésienne de Sumatra. Des séismes d’une telle ampleur provoquent des glissements sur plusieurs mètres du plan de faille et ce sur une distance de plusieurs centaines de km. Ces mouvements quand ils se produisent au niveau du plancher océanique engendrent des raz de marée ou tsunamis qui peuvent être extrêmement dévastateur.
Parcours des Sciences Audition binauriculaire, localisation d’une source sonore
Il s'agit d'expliquer et de montrer comment l'audition binauriculaire permet au cerveau humain de localiser une source sonore dans l'espace. Plusieurs systèmes sont envisagés : le déphasage (ou délai) entre les signaux sonores perçus par les deux oreilles et la différence d'intensité sonore. La pertinence et l'acuité de ces distinctions dépend à la fois de la fréquence sonore et de la distance à la source. D'autres moyens plus subtils tels que les effets de diffraction et d'analyse spectrale sont également envisagés.
La présentation évoque également quelques applications de cette analyse de la perception acoustique telles que la conception des architectures sonores, la reconstitution de sources virtuelles et l'aide apportées aux aveugles par des module de "vision" sonore.
Enfin, on trouvera une courte description d'un autre système auditif utilisé par les phoques et basé sur les mêmes principes de différenciation.
Sciences naturelles en ville
Parmi les animaux que l’on dénombre dans nos villes, certains semblent inexistants. Pourtant bien qu’ils soient très discrets, ils se révèleront, après quelques conseils et un peu d’entraînement, aux jeunes comme aux moins jeunes.
Présentation du Jardin Botanique Jean Massart
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