physique

Les physiciens charmeurs de corde

Un mouvement spectaculaire de boucle en sustentation par frottement a été primé lors du Tournoi international des physiciens où s’affrontent des équipes d’étudiants sur des problèmes expérimentaux déroutants

Un nouvel effet physique a été découvert par plusieurs étudiants et publié quasi simultanément dans trois revues scientifiques, dont les célèbres Physical Review Letters (PRL) et Journal of Fluid Mechanics. Le phénomène, baptisé d’un nom hollywoodien – string shooter («tireur de corde») – par son inventeur, le professeur américain retraité Bruce Yeany, est assez spectaculaire et contre-intuitif.

Imaginez une machine faite de deux roues tournant en sens inverse au milieu desquelles est pincé un fil. L’action des roues propulse dans l’air la corde à un certain angle, comme le ferait un canon. L’extrémité de la corde file alors comme un boulet de canon et finit par tomber sous son poids. Rien de vraiment extraordinaire.

Exercice pour étudiants

Maintenant, nouez la corde sur elle-même pour former une boucle et refaites l’expérience en passant un seul des brins entre les roues. Lorsque celles-ci tournent à faible vitesse, la boucle pendouille dans le vide. Puis en augmentant la vitesse de rotation des roues, soudain la boucle se redresse et tient en l’air, comme un cerceau qu’on ferait tourner avec un doigt.

«Au départ, je pensais que cela ferait un bon exercice pour les étudiants, mais en fait, cela a aussi été un sujet de recherche très intéressant», estime Nicolas Taberlet, maître de conférences à l’Université de Lyon, qui avait vu sur YouTube cet effet dans une vidéo à succès qui avait été postée par Bruce Yeany.

Il l’a alors proposé au Tournoi international des physiciens (IPT, en anglais) qui, chaque année, voit s’affronter des équipes d’étudiants en physique sous forme de joutes verbales en anglais autour de problèmes expérimentaux déroutants, souvent non encore résolus. Entraîneur d’une de ces équipes, à l’Université de Lyon, avec des collègues, il a fini deuxième de cette compétition organisée par l’Ecole polytechnique de Lausanne, en avril.

La boucle monte lorsque la vitesse de la corde dépasse celle de la corde en chute libre

Adrian Daerr, physicien

Leur article est paru dans PRL le 4 octobre. Celui d’une autre équipe française, de l’Université de Paris, est paru le 25 octobre dans l’édition papier du Journal of Fluid Mechanics mais est consultable sur l’édition en ligne depuis le 20 août.

Enfin, les étudiants de cette équipe associés à certains de leurs «concurrents» de l’Université Paris-Sud et de l’Ecole normale supérieure publieront aussi leur travail dans un journal destiné aux chercheurs en herbe, Emergent Scientist.

Le secret

Quel est le secret de cette «corde enchantée», comme l’a baptisée Adrian Daerr, maître de conférences de l’Université de Paris, encadrant l’équipe de cet établissement? Impossible d’invoquer un effet de portance, comme pour une aile, car la corde est trop fine et l’air s’y écoule identiquement dessus et dessous.

Deux détails ont mis sur la piste. D’abord, si l’expérience a lieu dans le vide, la boucle ne part pas en sustentation vers le haut. La force de frottement de l’air est donc nécessaire. D’autant qu’une corde effilochée, qui frotte davantage, comme de la laine, décolle pour des vitesses d’éjection plus faibles.

Ensuite, lors de la sustentation, si on tapote sur la corde, des ondes s’y propagent, mais leur vitesse change au fur et à mesure de leur progression. C’est l’indice que la tension varie le long de la corde et donc que quelque chose «tire» dessus.

La réponse

Finalement, la réponse, heureusement commune aux trois groupes, est que la force de frottement ou traînée, parallèle à la corde, exerce un couple sur la boucle, autour du seul point d’appui constitué par les roues, qui a tendance à la remonter de la verticale à l’horizontale. «Plus précisément, la boucle monte lorsque la vitesse de la corde dépasse celle de la corde en chute libre», résume Adrian Daerr.

«Ce n’est pas souvent qu’en recherche, on se dise: «J’ai compris!» En plus, on a progressé très vite, avec beaucoup d’idées et d’expériences», résume Nicolas Taberlet, dont l’équipe a également réalisé des simulations numériques.

Sans envisager d’applications à leurs équations, les chercheurs ont identifié différentes situations analogues à cette boucle en sustentation par frottement, comme le ravitaillement en vol d’un avion à l’aide d’un tuyau, la détection par des sonars sous-marins tirés par un câble ou des métiers à tisser qui propulsent les fils par des jets d’air.


note du 1er novembre: le tournoi a été organisé, et non remporté, par l'EPFL

Publicité