Monnayeur : testez un faux et suivez une pièce à l’intérieur

Une pièce traverse cinq contrôles

Glissez une pièce dans un distributeur de boissons et, pendant environ une seconde, rien ne semble se produire. Puis on entend un petit cliquetis, l’affichage change et la pièce est comptée, ou bien elle dégringole directement dans la coupelle de retour. Pendant cette seconde, la machine a mesuré la pièce de plusieurs façons et comparé chaque résultat à ce qu’une pièce authentique devrait donner. Elle ne regarde jamais le dessin de la face. Elle regarde la taille, la masse et le métal.

L’exposition s’ouvre sur un coin de rue avec sept machines. Au milieu se dresse un sélecteur de pièces du type breveté en 1942 par Benjamin Fry, de National Slug Rejectors, construit 3,5 fois plus grand que nature dans une vitrine transparente sur socle. À côté se trouve un distributeur de canettes à taille réelle, haut de 183 cm, dont le côté droit est transparent pour que l’on voie ses colonnes de canettes. Plus loin viennent un monnayeur électronique, un validateur de billets, le vase à eau à pièces d’Héron d’Alexandrie, une colonne de cartes postales en fonte du type des années 1880 et un distributeur de snacks à façade vitrée avec des spirales. Le mannequin est dessiné à votre taille.

À l’ouverture de la page, deux pièces coréennes de 500 wons tombent dans le sélecteur. Chacune traverse la fente, est mesurée par un calibre, est pesée sur une petite bascule, descend une rampe, passe entre les pôles d’un aimant et s’envole d’un rebord jusque dans la caisse. Après la seconde pièce, le crédit atteint 1000 wons et une canette sort de la machine. Arrive ensuite une rondelle d’acier, qui ne dépasse jamais le premier aimant. Les numéros jaunes de 1 à 5, à l’arrière du sélecteur, repèrent les cinq contrôles. Cette page explique chaque contrôle, d’où viennent les nombres, et quelles parties relèvent d’un modèle plutôt que d’une mesure.

Vous pouvez insérer 23 pièces et faux différents : des pièces coréennes, japonaises et américaines, une rondelle d’acier, des disques d’aluminium et de cuivre, un jeton de laiton, un jeton de maillechort, une pièce de 500 wons percée et une médaille de laiton. Vous pouvez changer les pièces pour lesquelles la machine est construite, la force de l’aimant, la hauteur de la rampe et la tolérance de masse, et observer où chacune s’arrête. Le tableau sous les commandes fait passer toutes les pièces dans le sélecteur à la fois : un seul réglage montre donc son effet sur les 23.

Voyager avec une pièce

Une pièce attend sur un petit plateau à côté du sélecteur, entourée de jaune. Glissez-la dans la fente, ou touchez-la : avec Suivre la pièce activé, la caméra voyage à côté d’elle, ralentie 4 fois par rapport au temps réel. Un bandeau au pied de la scène éclaire les contrôles dans l’ordre : la fente, l’aimant pour le fer, le diamètre, la masse, la vitesse après l’aimant et, en dernier, la caisse ou la coupelle de retour. Chaque case indique ce que le contrôle a mesuré, par exemple 26,50 mm face à une fente de 27,00 mm pour une pièce de 500 wons, ou 5,42 g sur la bascule pour une pièce de 100 wons. Un faux s’arrête avec une case rouge au contrôle qui l’a attrapé, et la caméra revient sur l’ensemble de la machine une fois la pièce retombée.

Ce qu’une machine peut mesurer

Une pièce n’a que quelques propriétés qu’une machine peut lire vite et à faible coût. Son diamètre et son épaisseur décident si elle passe dans un canal. Sa masse décide si elle peut faire basculer une balance. Son métal décide de son comportement près d’un aimant ou d’une bobine. La Bank of Korea indique que les dessins des pièces sont protégés par le droit d’auteur, et les machines du type montré ici ne lisent jamais le dessin : l’exposition trace donc des faces simples et ne conserve que le bord.

La Bank of Korea énumère les quatre pièces en circulation : les 10 wons font 18,00 mm et 1,22 g d’aluminium plaqué cuivre ; les 50 wons, 21,60 mm et 4,16 g de maillechort (Cu 70, Zn 18, Ni 12) ; les 100 wons, 24,00 mm et 5,42 g de cupronickel (Cu 75, Ni 25) ; les 500 wons, 26,50 mm et 7,70 g du même cupronickel. Les 500 wons portent 120 stries sur la tranche, les 100 wons 110 et les 50 wons 109 ; la tranche des 10 wons est lisse.

La Japan Mint donne 20 mm et 1 g pour le 1 yen en aluminium, 22 mm et 3,75 g pour le 5 yens en laiton avec un trou de 5 mm, 23,5 mm et 4,5 g pour le 10 yens en bronze, 21 mm et 4 g pour le 50 yens en cupronickel avec un trou de 4 mm, 22,6 mm et 4,8 g pour le 100 yens en cupronickel, et 26,5 mm et 7,1 g pour le 500 yens de 2021. La US Mint donne 19,05 mm et 2,50 g pour le cent, 21,21 mm et 5,00 g pour le nickel, 17,91 mm et 2,268 g pour le dime et 24,26 mm et 5,67 g pour le quarter.

Deux de ces pièces sont proches parentes. Le quarter américain est plus large de 0,26 mm et plus lourd de 0,25 g que les 100 wons coréens. Les deux contiennent du cuivre et du nickel, mais le quarter est un sandwich : des couches extérieures de cupronickel liées à un cœur de cuivre pur, ce qui explique que la US Mint indique pour l’ensemble 8,33 % de nickel et non 25 %. Les 100 wons sont en cupronickel de part en part. Une machine qui ne mesurerait que la taille et la masse peinerait à les distinguer ; une machine qui lit le métal le peut.

Les hôtels des monnaies donnent le diamètre et la masse, mais pas l’épaisseur moyenne, donc l’exposition la calcule : épaisseur = masse ÷ (densité × aire de la face). Pour les 100 wons, cela donne 5,42 g ÷ (8,94 g/cm³ × 4,52 cm²) = 1,34 mm. Ce nombre est une valeur du modèle. Une vraie pièce est plus épaisse au bord et plus mince sous le dessin.

Premier contrôle : la fente

La fente est le test le moins coûteux de tous. Dans le modèle, elle n’est plus large que d’un demi-millimètre que la plus grande pièce admise par le jeu, soit 27,0 mm avec les pièces coréennes. Une médaille de laiton de 30 mm se pose sur la plaque de la fente, y reste et est rendue. Elle n’atteint jamais le mécanisme. Choisissez le jeu des États-Unis et la fente se rétrécit à 24,76 mm, car le quarter est la plus grande pièce de ce jeu, et les 500 wons coréens sont alors eux aussi refusés à la fente.

Un vrai sélecteur peut aussi tester l’épaisseur, afin qu’une pièce tordue ou deux disques minces collés n’entrent pas. Le modèle ne vérifie que le diamètre.

Deuxième contrôle : le fer et le premier aimant

La plupart des pièces sont faites de métaux qu’un aimant n’attire pas : cuivre, maillechort, cupronickel, laiton, bronze, aluminium. Les rondelles et beaucoup de jetons sont en acier. Le premier aimant fait donc l’évidence. Un petit aimant permanent est placé à côté de la goulotte, et tout ce qui est en fer est attiré contre lui et y reste, tandis que les bonnes pièces tombent devant.

L’idée est ancienne. Dans le brevet américain 1,764,579, déposé par Nels Petersen en 1926 et accordé en 1930, un aimant permanent est monté au-dessus du trajet des pièces et une goulotte distincte, en dessous, recueille les « faux jetons aux propriétés magnétiques ». Le problème d’un aimant qui retient le fer est que ce fer finit par boucher la goulotte. Les machines ont donc un levier de retour. Dans le sélecteur de Fry de 1942, un seul mouvement ouvre la porte et dégage tous les passages des pièces, ce qui décolle aussi le fer de l’aimant. Dans l’exposition, le bouton Levier de retour fait de même.

Troisième contrôle : calibre et pistes

Une machine qui accepte plusieurs pièces les trie d’abord par diamètre. Fry le décrit directement : les pièces sont reçues et triées selon leurs caractéristiques habituelles de valeur avant d’être soumises aux autres tests, de sorte que chaque valeur rencontre des tests faits pour cette valeur seule. Dans le modèle, chaque pièce du jeu a sa propre piste, et une pièce va sur la piste dont elle égale le diamètre à 0,35 mm près. Une pièce qui ne correspond à aucune piste tombe par une trappe dans la goulotte de rejet.

Avec le jeu coréen, les pistes sont de 21,60 mm, 24,00 mm et 26,50 mm. Un 100 yens japonais de 22,6 mm ne correspond à aucune d’elles et tombe. Il en va de même pour les 10 wons coréens de 18,00 mm, car la machine du modèle ne les accepte pas. Une pièce de bon diamètre mais de mauvaise valeur, comme le quarter américain de 24,26 mm, passe sur la piste des 100 wons et doit être attrapée plus loin.

Quatrième contrôle : la bascule

Sur sa piste, la pièce roule sur une bascule : un court morceau de rail sur pivot, avec un contrepoids de l’autre côté. Une pièce assez lourde fait basculer la bascule et continue de rouler. Une pièce trop légère ne la fait pas basculer et est repoussée. Le sélecteur de Fry emploie des bascules de ce genre, avec des contrepoids, et ses revendications parlent d’arrêter les « pièces fausses et trop légères ». Dans le modèle, la bascule vérifie une fenêtre, par défaut ±4 % de la masse de la pièce authentique, de sorte qu’une pièce trop lourde est refusée elle aussi.

La fenêtre compte. Un disque d’aluminium de 24 mm pèse 2,2 g, bien moins que 5,42 g, et est repoussé. Le 500 yens japonais de 1982 pèse 7,20 g, soit 6,5 % de moins que les 7,70 g du 500 wons, donc une machine coréenne le refuse. Dans l’autre sens, une machine japonaise réglée pour la pièce de 1982 refuse le 500 wons, trop lourd de 6,9 %. Un 500 wons dont on a percé du métal jusqu’à 7,2 g passe la bascule de cette machine. La commande Tolérance de masse permet d’élargir la fenêtre jusqu’à 12 % et de voir quels faux passent.

Descendre la rampe

Une fois pesée, la pièce est lâchée en haut d’une rampe et roule jusqu’à l’aimant. Un détail de cette rampe passe facilement inaperçu. Un disque qui roule sans glisser atteint la même vitesse depuis la même hauteur, quelles que soient sa masse ou sa taille. L’énergie donne m g h = ½ m v² + ½ I ω², et pour un disque plein I = ½ m R² et ω = v ÷ R, donc v = √(2 g h ÷ 1,5). La masse et le rayon s’éliminent. Depuis 30 mm, la vitesse est √(2 × 9,81 × 0,03 ÷ 1,5) = 0,63 m/s pour les 100 wons, les 500 wons et le disque de cuivre.

Une pièce percée roule un peu plus lentement, car une plus grande part de sa masse est loin du centre : pour un anneau, I = ½ m (R² + r²). Le 5 yens quitte la rampe un peu plus lentement que le 10 yens. La commande Hauteur de rampe modifie la chute entre 10 et 50 mm ; la vitesse varie comme la racine carrée de la hauteur.

Comme toutes les pièces arrivent à l’aimant à la même vitesse, toute différence de vitesse après l’aimant vient du seul métal. C’est ce qu’exploite le contrôle suivant.

Cinquième contrôle : l’aimant qui freine

Les 100 wons ne sont pas attirés par un aimant. Approchez-en un d’un aimant de réfrigérateur et il ne se passe rien. Pourtant, dans un sélecteur mécanique, c’est un aimant qui sépare les 100 wons d’un disque de cuivre de même taille et de même masse.

La raison est l’induction. Quand un disque de métal se déplace entre les pôles d’un aimant, chaque partie du disque qui entre dans le champ voit le champ changer, et un champ électrique fait circuler des courants en boucles dans le métal. Ce sont les courants de Foucault. Leur densité est J = σ (v × B), où σ est la conductivité électrique, v la vitesse et B le champ. Ces courants se trouvent eux-mêmes dans le champ magnétique et subissent donc une force, qui, selon la loi de Lenz, s’oppose au mouvement. Le résultat est un frein qui n’exige aucun contact et qui est proportionnel à la vitesse.

Vidaurre et ses collègues de l’Universitat Politècnica de València ont écrit cette traînée sous la forme F = −m α v, avec α proportionnel à σ fois le carré du champ fois le volume situé sous l’aimant. Pour une pièce d’épaisseur t qui passe devant un pôle d’aire A, la force vaut environ F = k σ B² v t A, et la masse de la pièce est m = ρ t A coin, où ρ est la masse volumique. L’épaisseur s’élimine, et la décélération est

a = −v ÷ τ, avec 1/τ = (σ ÷ ρ) × B² × k × (A pole ÷ A coin) ÷ (1 + k roll).

Le dernier facteur, 1 + k roll = 1,5, est là parce que l’aimant doit ralentir la rotation de la pièce autant que son déplacement. Deux choses en découlent. D’abord, le freinage dépend de σ ÷ ρ, la conductivité par unité de masse volumique : un métal léger et très conducteur freine le plus fort. Ensuite, comme a = −v ÷ τ, la vitesse diminue de la même quantité sur chaque millimètre : dv/dx = a ÷ v = −1/τ. Après une longueur L sous l’aimant, la vitesse est v₁ = v₀ − L ÷ τ.

La Copper Development Association donne les conductivités. Le cuivre pur (alliage C11000) vaut 101 % IACS, avec une densité de 8,91. Le cupronickel à 30 % de nickel (C71500), l’alliage de leurs tableaux le plus proche des 25 % des pièces, ne vaut que 4,6 % IACS, à 8,94. Le maillechort (C75700) vaut 8 %, le laiton jaune (C27000) 27 %, le bronze commercial (C22000) 44 %. Cent pour cent IACS valent 5,8 × 10⁷ siemens par mètre. Le cuivre conduit donc environ 22 fois mieux que le cupronickel, à masse volumique égale.

Dans le modèle, le champ de l’aimant est de 0,30 T, les pôles mesurent 10 × 10 mm et la pièce parcourt 20 mm de piste sous eux ; k vaut 0,5. Pour les 100 wons, 1/τ = (2,67 × 10⁶ ÷ 8940) × 0,09 × 0,5 × (100 ÷ 452) ÷ 1,5 = 1,98 par seconde. Sur 0,02 m, la vitesse diminue de 0,02 × 1,98 = 0,040 m/s, de 0,63 à 0,59 m/s. Pour le disque de cuivre, 1/τ vaut 43,6 par seconde, et la vitesse qu’il perdrait, 0,87 m/s, dépasse celle qu’il a : il se traîne jusqu’au bout de la piste. Un jeton de laiton tombe à 0,38 m/s. Ces valeurs viennent de la géométrie supposée du modèle ; les comparaisons entre métaux viennent des données sur les alliages.

Quitter le rebord et franchir l’arête

Au bout de la piste de l’aimant, la pièce quitte un rebord et vole. Une chute de 40 mm dure √(2 × 0,04 ÷ 9,81) = 0,090 s, et pendant ce temps une pièce à 0,59 m/s avance de 53,0 mm. Sous le rebord se trouve l’arête de tri, un tranchant, et au-delà un déflecteur. Une pièce qui retombe entre les deux tombe dans la caisse. Une pièce qui retombe trop court tombe devant l’arête, dans le bac de rejet. Une pièce qui vole trop loin heurte le déflecteur et est rejetée elle aussi.

Le brevet de Fry décrit exactement le cas de la chute trop courte : les faux quarters de composition impropre, d’une conductivité électrique trop élevée, comme le cuivre, subissent des courants de Foucault qui ralentissent la pièce « à tel point qu’elle tombe pratiquement à la verticale du rebord ». Dans le modèle, les fenêtres sont fixées d’après la pièce authentique de chaque piste. Pour les 100 wons coréens, la pièce retombe à 53,0 mm et la fenêtre va de 49,0 à 57,0 mm. Le disque de cuivre retombe à 0 mm et le jeton de laiton à 34,4 mm, tous deux trop court.

Le graphique de la scène montre les fenêtres du jeu en bandes vertes et les dernières pièces en points. Le graphique sous les commandes trace, pour chaque pièce, le point de chute lorsque l’aimant change.

Régler l’aimant

Un sélecteur est réglé en usine, et ses fenêtres sont fixes. Éloignez l’aimant de ce réglage et les pièces authentiques sortent elles aussi de leurs fenêtres. La commande Aimant exprime le champ en part de la valeur d’étalonnage du jeu.

Baissez-la jusqu’à zéro et le test des courants de Foucault disparaît. Toutes les pièces non ferreuses quittent alors le rebord à 0,63 m/s et retombent à 56,6 mm, dans la fenêtre des 100 wons : le disque de cuivre de même taille et de même masse est donc accepté. Avec un aimant aussi faible, le fer ne colle plus non plus, et la rondelle d’acier passe elle aussi.

Montez-la et les pièces en cupronickel ralentissent un peu plus, tandis que celles en métal meilleur conducteur ralentissent bien davantage. Un jeton de maillechort de la taille et de la masse d’un 100 wons retombe à 50,2 mm au réglage d’usine, dans la fenêtre. Le maillechort ne conduit qu’à 8 % IACS, donc il freine à peine plus que le cupronickel. Dans le modèle, tout aimant compris entre 109 % et 145 % de la valeur d’usine accepte encore les 100 wons et les 500 wons mais fait tomber le jeton trop court. L’exercice Régler l’aimant demande de trouver cette plage. Elle est étroite parce que le métal du jeton est proche de celui de la pièce.

Un seul contrôle ne suffit pas

Chaque contrôle attrape des faux différents. Avec le jeu coréen et les réglages d’usine, la médaille de laiton s’arrête à la fente, la rondelle d’acier au premier aimant, le 100 yens japonais au calibre, le disque d’aluminium à la bascule, et le disque de cuivre et le jeton de laiton au test de vitesse. Le jeton de maillechort passe les cinq. Le tableau sous les commandes énumère les 23 pièces avec le contrôle où chacune s’arrête, et se met à jour quand vous changez une commande.

Le quarter montre pourquoi les contrôles travaillent ensemble. Son diamètre est à moins de 0,35 mm de celui des 100 wons, donc le calibre l’envoie sur la piste des 100 wons. Sa masse est supérieure de 4,6 %, donc la bascule le refuse avec la fenêtre de ±4 %. Élargissez la fenêtre à 12 % et le quarter passe la bascule, mais son cœur de cuivre le fait freiner trop fort sous l’aimant : il retombe à 4,1 mm et est rejeté.

Les 500 wons et les 500 yens

La Japan Mint explique que la pièce de 500 yens a remplacé le billet de 500 yens en 1982 « pour répondre au besoin d’une pièce de plus grande valeur utilisable dans les distributeurs automatiques ». Le ministère japonais des Finances présente cette première pièce comme étant en cupronickel (Cu 75, Ni 25), de 26,5 mm et 7,20 g, émise de 1982 à 1999. La Bank of Korea souligne que les 500 wons coréens sont venus en premier, émis le 12 juin 1982, et que les deux pièces ont en commun leur métal et leur diamètre de 26,5 mm par hasard.

La Bank of Korea décrit aussi ce qui a suivi. Vers 1999, des pièces de 500 wons ont été limées ou percées pour que les machines japonaises les prennent pour des 500 yens. Le 500 wons est un peu plus lourd, donc retirer du métal l’amenait dans la fenêtre de masse. Les pièces modifiées achetaient des produits, et appuyer sur le levier de retour pouvait même rendre une vraie pièce de 500 yens. Les fabricants japonais de distributeurs ont dû équiper les machines de contrôles plus précis des pièces.

En 2000, le 500 yens est passé au laiton au nickel (Cu 72, Zn 20, Ni 8), en gardant 26,5 mm et en pesant 7,00 g. En 2021, il a encore changé pour une pièce bicolore plaquée de 7,1 g : un cœur de cuivre pris entre deux couches de cupronickel, serti dans un anneau de laiton au nickel. La Japan Mint dit que l’emploi de plusieurs matériaux différents permet un contrôle plus précis de l’authenticité, et ajoute des stries obliques de forme irrégulière, des microlettres et une image latente qui apparaît sous certains angles.

Dans l’exposition, le 500 wons percé passe le jeu Japon 1999 du sélecteur mécanique, car son métal et son diamètre correspondent à la pièce de 1982 et le perçage l’a amené à 7,2 g. Sur le validateur électronique avec le jeu Japon 2021, il est rejeté, parce que le cupronickel ne ressemble en rien au laiton au nickel ni à la pièce plaquée. L’exercice L’astuce de 1999 vous demande de montrer les deux.

Électronique : bobines et deux fréquences

Dans un validateur électronique, la pièce roule toujours sur une piste, mais au lieu d’un aimant et d’une arête, elle passe devant des bobines alimentées en courant alternatif. Les courants de Foucault de la pièce modifient l’inductance et la résistance de la bobine, et un circuit mesure la variation.

Des brevets montrent comment l’idée s’est développée. Le brevet d’UMC Industries de 1982 ajoute une seconde bobine à côté de la bobine d’authenticité d’un rejecteur électronique, pour attraper les faux en cuivre que la première bobine pourrait prendre pour de vraies pièces. Un brevet de Mars accordé en 1985 place la pièce entre une bobine émettrice et une bobine réceptrice et compare le déphasage à une basse fréquence surveillée avec celui d’une pièce acceptable. Un brevet de Mars de 1994 traite des fenêtres d’acceptation qui apprennent à partir de pièces authentiques et pourraient sinon dériver vers un faux présenté sans cesse. Un brevet de Scan Coin accordé en 2009 mesure les courants de Foucault à deux fréquences, ce qui, dit-il, aide pour les pièces dont un cœur métallique est recouvert d’une couche d’un autre métal.

Deux fréquences aident à cause de l’effet de peau. Les courants alternatifs se concentrent vers la surface d’un conducteur, dans une profondeur de peau δ = √(2 ÷ (ω μ σ)). À 1 kHz dans le cupronickel, δ vaut environ 9,7 mm, bien plus que l’épaisseur de la pièce, donc la bobine voit toute la pièce. À 200 kHz, δ vaut 0,69 mm dans le cupronickel et 0,15 mm dans le cuivre, donc la bobine voit surtout la surface.

Le validateur du modèle lit trois choses : le diamètre par une barrière optique, et la conductivité à 1 kHz et à 200 kHz. Les 100 wons donnent 2,7 MS/m aux deux fréquences, parce que c’est le même métal partout. Le quarter donne 3,7 MS/m à 200 kHz, proche des 100 wons parce que sa surface est en cupronickel, mais 34,5 MS/m à 1 kHz, parce que le courant passe alors par son cœur de cuivre. Son point sur le graphique est loin de la boîte des 100 wons, et le volet reste fermé. La boîte d’acceptation d’une pièce dans le modèle est de ±12 % à chaque fréquence.

Billets : lumière, magnétisme et clapet antiretour

Les billets de banque sont contrôlés dans le même esprit, avec d’autres capteurs. La Bank of Korea donne les dimensions des billets en circulation : 136 × 68 mm pour 1000 wons, 142 × 68 mm pour 5000 wons, 148 × 68 mm pour 10 000 wons et 154 × 68 mm pour 50 000 wons. Les quatre ont la même largeur et diffèrent de 6 mm en longueur : des guides de largeur à l’entrée refusent donc un billet étranger plus large, comme un billet japonais de 1000 yens de 76 mm de large dans le modèle, et la longueur indique la valeur.

Un brevet accordé à Japan Cash Machine en 1995 décrit un validateur de billets avec une tête magnétique qui détecte l’encre ferreuse imprimée à des positions fixes, et des photocoupleurs qui lisent le motif de la lumière infrarouge traversant le billet. Un brevet de 1971 sur un détecteur de contrefaçons note que le vrai papier-monnaie américain ne brille presque pas sous une lumière ultraviolette filtrée alors que la plupart des contrefaçons brillent en bleu, et que l’encre noire des vrais billets contient un pigment magnétique. Un brevet de validateur de billets accordé à Innovative Technology en 2006 combine un capteur magnétique, un capteur optique et un clapet antiretour.

Le modèle contrôle dans cet ordre : largeur, longueur, motif infrarouge, encre magnétique et fluorescence UV, puis le clapet à sens unique. Une copie en couleur a la bonne dimension et un motif imprimé qui passe le contrôle infrarouge du modèle, mais pas d’encre magnétique, donc elle s’arrête à la tête magnétique et est repoussée vers l’extérieur. Un billet de 10 000 wons rogné à 136 mm se lit comme un billet de 1000 wons par la longueur, mais son motif est faux. Un billet au bout d’un fil entre, est accepté, puis est tiré en arrière contre le clapet, qui le retient. L’ordre des capteurs et les règles de passage sont un modèle construit d’après ces brevets, non la description d’un produit précis.

Une canette à la fois

À l’intérieur du distributeur de canettes, derrière le côté transparent, cinq colonnes de canettes sont couchées sur des rampes dont la pente va dans un sens puis dans l’autre, de sorte que chaque colonne replie une longue file de canettes dans un espace haut et étroit. Un brevet déposé par Elmer Johnson pour la Vendo Company en 1965 et accordé en 1967 est cité par des brevets ultérieurs comme la machine de distribution d’articles à pile serpentine. Un brevet Vendo de 1968 signale un problème propre aux canettes : leurs deux bords peuvent s’accrocher à ceux de la canette suivante pendant la descente, et il donne donc à la goulotte une forme qui l’empêche.

Au pied de chaque colonne se trouve la pièce qui vend exactement une canette. Le brevet de Fuji Electric de 1985 explique que les dispositifs de décharge à roue étoilée, entraînés par un solénoïde plus économique, plus durable et plus fiable qu’un moteur, étaient les plus largement adoptés pour les produits en boîte et en bouteille. La roue fait un tour, laisse partir la canette du bas et arrête la suivante. Dans l’exposition, la canette descend par une goulotte jusque dans le bac et toute la colonne descend d’une place.

Les distributeurs de snacks emploient une autre idée. Le brevet de Seeburg de 1969 décrit un distributeur à spirale d’alimentation hélicoïdale : l’article est posé entre les spires d’une spirale, et un tour de la spirale pousse un article hors de l’avant. La septième machine de la rue en est une, à taille réelle (voir plus bas).

Monnaie rendue : la plus grosse d’abord

Après une vente, le distributeur de canettes et celui de snacks gardent le reste de votre argent en crédit. Appuyez sur le levier de retour et la machine le paie depuis ses tubes de monnaie, un tube par pièce, en commençant par la plus grosse pièce qui convient. Dans l’exposition, les tubes coréens commencent avec 6 pièces de 500 wons, 12 de 100, 8 de 50 et 20 de 10 (valeurs du modèle). Les pièces que vous insérez tombent dans leurs tubes, et quand un tube est vide, la machine indique qu’elle ne peut pas payer ce montant.

Commencer par la plus grosse s’appelle la règle gloutonne. Pour les pièces coréennes de 10, 50, 100 et 500 wons, les pièces japonaises de 1, 5, 10, 50, 100 et 500 yens et les pièces américaines de 1, 5, 10 et 25 cents, elle donne toujours le moins de pièces ; la vérification qui sous-tend l’exposition essaie tous les montants jusqu’à 2000. Ce n’est pas vrai de tous les jeux de pièces. L’article de David Pearson de 2005 sur le problème du rendu de monnaie cite les pièces britanniques d’avant 1971, de 1, 3, 6, 12, 24 et 30 pence : la règle gloutonne paie 48 pence en 30 + 12 + 6, trois pièces, alors que deux florins de 24 pence en font deux. Dexter Kozen et Shmuel Zaks ont prouvé en 1994 que si la règle gloutonne échoue un jour pour un jeu de pièces, le plus petit échec se situe sous la somme des deux plus grosses pièces, et Pearson a donné un test qui s’exécute en temps polynomial.

On peut aussi comparer les jeux de pièces d’après le nombre moyen de pièces que demande le rendu. Avec les pièces américaines, rendre de 0 à 99 cents demande 4,70 pièces en moyenne ; Jeffrey Shallit a montré en 2003 que des pièces de 1, 5, 18 et 25 cents le ramèneraient à 3,89. Avec les pièces coréennes, le pire montant sous 1000 wons est 990 wons : 500 + 4 × 100 + 50 + 4 × 10, dix pièces. La section du laboratoire sur le rendu de monnaie compare la règle gloutonne au plus petit nombre de pièces pour tout montant dans les quatre jeux.

La section du laboratoire Mon portefeuille inverse la question. Vous saisissez les pièces de votre propre portefeuille et vous payez une boisson de façon qu’il reste le moins de pièces possible une fois la monnaie rendue. Une pièce de plus peut aider : pour une boisson à 1160 wons, payer 1210 wons rend une seule pièce de 50 wons, alors que payer 1200 wons rend quatre pièces de 10 wons.

Spirale et rideau optique

La septième machine de la rue est un distributeur de snacks à façade vitrée, à taille réelle. Chacune de ses 12 cases est une spirale de fil couchée de l’avant vers l’arrière sur un plateau, avec des paquets debout entre les spires. Choisissez une case (A1 en haut à gauche, C4 en bas à droite) et un tour de la spirale fait avancer chaque paquet d’une spire et pousse le premier hors de la machine. Le brevet de Seeburg de 1969 décrit cette alimentation hélicoïdale. Dans le modèle, les spirales ont un pas de 68 mm et contiennent 7 paquets, et les plateaux coûtent 1150, 1300 et 1650 wons (valeurs du modèle).

Un paquet ne tombe pas toujours : il peut s’accrocher au bout de la spirale et rester suspendu. Les distributeurs à façade vitrée surveillent donc la chute. Un brevet de 2002 de James Hair et Kyriakos Spentzos fait tourner la spirale jusqu’à ce qu’un faisceau optique à travers la chute voie le produit tomber ou que le délai expire, et un brevet de 2013 de Crane Merchandising Systems décrit des rangées d’émetteurs et de détecteurs de lumière entre les plateaux les plus bas et le bac, la machine retentant la livraison quand rien n’est vu. Dans l’exposition, une vente sur quatre reste bloquée exprès : le rideau optique ne voit rien, la spirale continue de tourner, puis le paquet tombe.

Froid et chaud dans le même meuble

Beaucoup de distributeurs de canettes japonais vendent des boissons chaudes et froides dans un seul meuble. Fuji Electric décrit trois compartiments derrière des parois isolées. Celui de droite refroidit toujours ; en été, les trois refroidissent, au printemps et en automne celui de gauche chauffe, et en hiver ceux de gauche et du centre chauffent. Ses ingénieurs supposent 90 jours par an en mode été, 185 en mode printemps et automne et 90 en mode hiver, et donnent 5 °C pour un compartiment froid et 55 °C pour un compartiment chaud.

Refroidir une boisson, c’est en retirer de la chaleur, et une pompe à chaleur peut mettre cette chaleur dans les boissons chaudes d’à côté au lieu de la jeter. Fuji Electric a lancé en 2011 des distributeurs à pompe à chaleur hybride qui puisent aussi de la chaleur dans l’air extérieur. Dans son graphique d’une machine antérieure en mode hiver, 48 % de l’énergie allaient à la résistance électrique, 38 % au compresseur, 6 % aux ventilateurs et aux pompes et 8 % à la commande. Le Hybrid ZERO de 2015 chauffe tous les compartiments chauds avec la pompe à chaleur et n’a pas de résistance électrique ; en mode hiver, il consommait 45 % de l’énergie de la machine antérieure, et 15 % de moins sur une année. Une machine au CO2 avec cycle à éjecteur, décrite la même année, consommait 25 % d’énergie de moins que les précédentes.

Activez Chaleur sur le distributeur de canettes et la porte s’enlève : les compartiments deviennent bleus ou rouges selon la saison, et des flèches portent la chaleur du côté froid, par le compresseur, jusqu’au côté chaud, ou la rejettent par le condenseur en été. Les flèches et les couleurs sont un modèle ; les chiffres sont ceux de Fuji Electric.

Le vase à pièces d’Héron

La plus ancienne machine à pièces connue par une description écrite figure dans les Pneumatica d’Héron d’Alexandrie. L’édition anglaise de Bennet Woodcroft de 1851 la donne sous le numéro 21, « Vase sacrificiel qui ne coule que lorsqu’on y introduit de l’argent ». Une pièce de cinq drachmes est lâchée par l’ouverture d’un coffre. À l’intérieur, un levier tourne sur une tige verticale. À une extrémité, le levier s’élargit en un plateau sous l’ouverture ; de l’autre extrémité pend un couvercle qui ferme une petite boîte, d’où un tuyau mène hors du coffre. Le couvercle « doit être plus lourd que le plateau R, mais plus léger que le plateau et la pièce réunis ». La pièce tombe sur le plateau, fait basculer le levier, soulève le couvercle et laisse couler l’eau ; quand la pièce glisse du plateau, le couvercle retombe et l’écoulement s’arrête.

Cette phrase est une règle qu’un modèle peut tester. Avec des bras égaux et un plateau de 30 g, le couvercle doit peser entre 30 g et la masse du plateau plus celle de la pièce. Selon l’étalon attique, une drachme vaut environ 4,3 g : une pièce d’argent de quatre drachmes d’Athènes au Getty Museum pèse 17,2 g. Cinq drachmes feraient environ 21,5 g, donc le couvercle doit peser entre 30 et 51,5 g. On ne sait pas quel étalon Héron entendait, donc la masse de la pièce est une estimation.

Dans l’exposition, vous réglez le couvercle avec une commande et vous lâchez une pièce. Sous 30 g, le couvercle est plus léger que le plateau, le levier repose déjà incliné et l’eau coule sans aucune pièce. Au-dessus de 51,5 g, la pièce ne peut pas faire basculer le levier et rien ne se passe ; une seconde pièce sur le plateau peut le faire basculer. Entre les deux, le vase fonctionne, et la quantité d’eau dépend du couvercle. À 40 g, le levier bascule vite jusqu’à sa butée, la pièce glisse en une fraction de seconde et la vanne reste ouverte environ 0,79 s, ce qui donne environ 21 mL. Près de 51 g, le levier bouge lentement, la pièce met plus de temps à glisser et la vanne reste ouverte environ 1,8 s, ce qui donne environ 44 mL. Le débit lui-même vient d’un tuyau de 6 mm sous 15 cm d’eau, soit environ 29 mL par seconde à pleine ouverture. Toutes ces dimensions sont des valeurs du modèle ; seule la règle est celle d’Héron.

L’époque où vivait Héron a longtemps été débattue, et la question porte encore un nom. L’introduction de Woodcroft de 1851 parle de la période comme d’« un point débattu » et suit les auteurs qui le plaçaient au deuxième siècle avant notre ère. L’édition critique des Automata d’Héron par Francesco Grillo, en 2019, thèse de doctorat à l’University of Glasgow, retient le premier siècle de notre ère et traite de la datation comme de la « question héronienne ».

Une carte pour un penny

Le distributeur à pièces s’est répandu dans les années 1880. Le Science Museum Group note que les gares ferroviaires ont été le lieu des premiers distributeurs automatiques en Grande-Bretagne, et que Percival Everitt a conçu un distributeur à pièces de cartes postales et d’enveloppes timbrées qui est apparu dans les gares en 1884. Des machines à bonbons, à tabac et à eau de Cologne ont suivi peu après.

La colonne de cartes postales de l’exposition est un modèle de ce type, aux dimensions estimées. Un penny tombe sur un bras de balance. S’il l’emporte sur un ressort, un loquet libère le tiroir pour un seul tirage et une carte sort. Selon le Royal Mint Museum, la Grande-Bretagne avait remplacé ses grands pennies de cuivre par de plus petits en bronze en 1860, et un penny d’épreuve en bronze de 1868 dans la collection du Royal Mint Museum pèse 9,38 g. Le loquet du modèle exige 8 g. La masse est le seul test, donc une lourde médaille de laiton libère elle aussi le tiroir, alors que le disque léger d’aluminium ne le libère pas. Cette faiblesse est la raison pour laquelle les machines suivantes de cette rue mesurent aussi la taille et le métal.

Combien de distributeurs ?

L’association japonaise des fabricants compte chaque année les machines en service. Fin 2024, la Japan Vending System Manufacturers Association a compté 2 614 400 distributeurs automatiques, soit 99,0 % de l’année précédente. Parmi eux, 2 199 600 vendaient des boissons, et 1 976 200 vendaient des boissons sans alcool en canettes et en bouteilles. Il y avait 81 200 machines alimentaires, 63 500 machines à tickets et 204 200 machines de produits d’usage courant. Les distributeurs de tabac étaient 65 900, soit 87,5 % des 75 300 comptés un an plus tôt, la plus forte baisse de toutes les catégories. En ajoutant 1 295 900 machines de service, comme les changeurs de monnaie, les horodateurs de stationnement et les consignes à pièces, on arrive à 3 910 300 au total : un total proche de quatre millions compte donc aussi ces machines de service.

Le Bureau des statistiques du Japon a évalué la population à 123 802 000 habitants au 1er octobre 2024. Divisée par 2 614 400 distributeurs, cela fait un distributeur pour 47 personnes.

La Corée n’a pas de décompte officiel des machines. Le ministère de la Sécurité des aliments et des médicaments compte les entreprises enregistrées pour vendre des aliments par distributeur : 39 074 fin 2025, contre 51 524 fin 2011. Sa définition exclut les machines qui ne contiennent que des produits finis se conservant un mois ou plus, ce qui englobe la plupart des boissons en canette. Le nombre coréen compte donc autre chose que le nombre japonais, et les deux ne doivent pas être comparés directement.

Différences avec les machines réelles

Le sélecteur de pièces suit la logique du brevet de Fry de 1942, non son agencement. Fry fait descendre chaque valeur dans son propre passage de test ; le modèle emploie une seule piste et déplace l’arête et le déflecteur vers la fenêtre de la piste de la pièce. Le champ de l’aimant, la taille des pôles, les 20 mm sous l’aimant, la chute de 40 mm, le facteur k et la fenêtre de masse de ±4 % sont des valeurs du modèle, choisies pour que les pièces authentiques retombent au milieu de leurs fenêtres. La conductivité du cupronickel à 25 % des pièces est tirée de l’alliage à 30 % des tableaux de la Copper Development Association, et les conductivités du bronze, de l’aluminium, du laiton au nickel, du zinc et de l’acier sont des estimations.

Le validateur électronique lit trois nombres ; les brevets décrivent des validateurs qui en lisent davantage. Ses boîtes de ±12 % sont des valeurs du modèle. Le jeu Japon 2021 du modèle n’accepte que les deux pièces de 500 yens fabriquées depuis 2000 et laisse de côté la pièce de 1982 en cupronickel. Le validateur de billets a cinq contrôles aux réponses simples, oui ou non. Le vase d’Héron et la colonne de cartes postales sont construits d’après des descriptions, avec toutes les dimensions estimées. Le distributeur de canettes montre le principe d’une colonne serpentine et d’une roue étoilée ; ses canettes reposent sur des rampes de 8°. Les prix sont des valeurs du modèle.

Le distributeur de snacks, les tubes de monnaie et la vue de la chaleur sont eux aussi simplifiés : le contenu des tubes, les prix, le pas de la spirale, la vente sur quatre qui reste bloquée et la taille des flèches de chaleur sont des valeurs du modèle.