Comment tomber plus vite que la gravité

Après une petite pause due en partie au déménagement de ce blog suite à des problèmes d'hébergement, je vous propose une traduction de l'article "Falling faster than gravity" de Sedeer sur Inspiring Science. Pour la petite histoire, ça me rappelle une question que je m'étais posé une nuit d'insomnie à bord  d'Etoile Filante : ma couchette pouvait-elle vraiment tomber plus vite que moi lorsque le bateau franchissait une vague ?

crédit : Ruina Lab. (cliquer pour le film)

En 2011, une équipe de physiciens de l'Université Cornell à Ithaca (New York) a montré que lorsqu'une chaîne en chute libre heurtait quelque chose, par exemple une table, elle pouvait, contrairement à l'intuition, accélérer et tomber plus vite que si elle ne touchait rien.  En étudiant attentivement sa mécanique, ils ont montré que l'impact pouvait tirer le reste de la chaîne vers le bas.  Comme le montre la photo de leur expérience ci-contre, ils avaient raison.  Les deux chaines bizarres ont été lâchées de la même hauteur au même moment, mais celle de gauche qui tombe sur une table en formant une pile est tombée plus vite que celle de droite qui tombe à côté de la table.

Anoop Grewal, Phillip Johnson et Andy Ruina ont découvert ceci en réexaminant un problème classique des cours de physique : la chaîne qui tombe sur une pile. La solution standard part du principe que le maillon qui heurte la table (en rouge sur le dessin)  se déconnecte du maillon supérieur au moment de l'impact, donc qu'il s'arrête sans influencer le reste de la chaîne.  C'est une hypothèse raisonnable étant donné que les maillons d'une chaîne sont assemblés de manière très lâche, mais l'équipe n'était pas convaincue que ce soit toujours le cas. Si le dernier maillon continuait à interagir avec le maillon du dessus, il pourrait exercer une force sur la portion de la chaîne encore en train de tomber.  Suivant la direction de cette force, l'impact des maillons pourrait ralentir, mais peut-être aussi accélérer la chute du reste de la chaîne.

Comment un tel mécanisme pourrait-il réellement fonctionner en pratique ? L'équipe est parvenue à concevoir plusieurs types de chaînes où l'impact des maillon peut tirer sur le reste de la chaîne. Le plus simple est basé sur l'idée d'un barreau tombant au sol. Si le barreau est incliné, une de ses extrémités touche le sol en premier, et l'autre extrémité pivote autour du point de contact avec le sol, ce qui la fait tomber plus vite. L'extrémité libre accélère pour la même raison que vous vous mettez à tourner rapidement si vous saisissez un point fixe en courant ou en patinant : c'est la  conservation du moment angulaire.

quand un barreau incliné tombe au sol, son extrémité libre accélère

Tout ce qui est attaché à l'extrémité libre, par exemple par une ficelle, sera tiré vers le bas. Ainsi, l'impact du barreau avec une surface crée une force qui tire le reste de la chaîne. C'est contre-intuitif, et ça peut même paraître fou, mais c'est vrai. Le trio a construit des chaînes selon ce concept, elles ressemblent à des échelles de corde de traviole, et les a utilisé une caméra video à haute vitesse pour en filmer une paire tombant côte-à-côte. Comme ils l'avaient prévu, la chaîne tombée sur la table est tombée plus vite que celle tombant à côté : (video : Ruina Lab):

Ils ont aussi testé une chaîne ordinaire, qui se comporte juste comme on s'y attend. Dans ce cas, le dernier lien se déconnecte du précédent et ne lui applique donc aucune force, ce qui signifie que l'hypothèse utilisée pour résoudre le cas d'école est valide dans ce cas.

L'impact avec une table n'accélère pas une chaîne ordinaire car les maillons se déconnectent au moment de l'impact. (crédit : Ruina Lab.)

Alors qu'on peut mesurer et comprendre les fluctuations de l'univers primitif, il est quand même étonnant que l'on puisse encore apprendre de nouvelles choses sur quelque chose d'aussi familier qu'une chaîne tombant au sol. Je finis souvent mes articles en m'émerveillant sur l'immense richesse du monde, mais cette fois c'est notre capacité à toujours nous poser des questions et à comprendre le monde avec précision qui m'étonne.

La science qui nous permet de construire des ponts et des avions, d'envoyer des sondes au delà de notre système solaire et d'explorer les vallées océaniques est la même que cette science a permis à ces chercheurs de prévoir et de confirmer un résultat si étrange, si contre-intuitif à propos de quelque chose d'apparence si commune.  Les petits mystères et les merveilles quotidiennes abondent. Ils n'attendent que d'être découverts et décrits par un esprit curieux, et c'est ce qui rend la science si fantastique!

Référence

1. Grewal, A., Johnson, P., & Ruina, A. "A chain that speeds up, rather than slows, due to collisions: How compression can cause tension" 2011, American Journal of Physics, 79 (7) DOI: 10.1119/1.3583481