La physique tirée par les cheveux

Quel poil est le plus fort ? Le plus fin ou le plus dru ? L’expérience montre que c’est le second qui cède en premier. Autrement dit la fable végétale de Jean de la Fontaine qui oppose  et compare dans la tempête la robustesse du chêne et celle du roseau trouve son pendant dans le monde animal : les poils et cheveux des Mammifères sont d’autant plus résistants qu’ils sont ténus, et ils résistent mieux à l’étirement que les soies et crins plus épais. Ce sont des physiciens  spécialistes de résistance des matériaux qui sont à la manoeuvre pour le démontrer (1).

En ces temps de confinement où coiffeurs et barbiers sont sur la touche,  la nostalgie invite à évoquer les qualités et défauts de nos toisons si peu maitrisées aujourd’hui qu’elles pourraient bientôt nous aveugler. 

Nos cheveux sont réputés résistants, et une légende rapporte que l’on pourrait sans peine être soulevé.e  par la tignasse en empoignant une touffe de 500 à 1000 de nos tifs.  Le « sans peine » fait référence à une méthode d’apprentissage certes populaire, mais qui ne garantit pas qu’elle soit indolore. 

Ce n’est heureusement  pas ce type d’épreuve qu’ont mis en oeuvre un groupe de physiciens de l’Université de Berkeley, Californie. Avec des instruments classiques de physique pour évaluer les qualités de tension des matériaux, ils ont étiré différents brins de cheveux et poils de mammifères jusqu’à leur point de rupture pour éprouver et quantifier la résistance des toisons des uns et des autres. Le critère choisi dans cette démarche capillo-tractrice, fut le diamètre des cheveux pour les uns, poils, soies et autres phanères pour d’autres, des plus fins aux plus drus. 

D’une certaine façon, c’est là tester la qualité première des Mammifères : le port d’une fourrure est notre apanage. Cette toison à la fois protège, pare, est aussi une  carte d’identité, à l’occasion une tenue de camouflage, et chez les humains l’objet de soins soutenus, hélas aussi de déconvenues : chauve qui peut ouït-on parfois.

Chaque élément de la chevelure ou fourrure est fabriqué par certaines glandes dermiques et constitué  de fibres de kératine. L’unité première d’un poil est une molécule hélicoïdale fibreuse de cette matière qui forme des filaments en structure emboitée, le tout s’agrège  et constitue un cylindre  enveloppé d’une cuticule écailleuse de même substance. 

Fig.1 Structure de la molécule de kératine et d’un poil (Futura et Ref. 1)

 

Les poils les plus fins sont les cheveux  des humains : 80 à 100 microns pour ceux du chef des adultes, mâles ou femelles., de même diamètre que la laine des moutons que nous ne tondons pas seulement qu’en chanson. Les poils de barbe des hommes sont à peine plus épais, mais ceux des enfants plus fins, 60 microns. 

La robe des  chevaux est faite de poils assez semblables aux nôtres dans la structure, mais ils sont 50 % plus épais. 

Le poil d’ours est l’un des plus fins, 80 microns, alors que les soies d’un sanglier ou d’un pécari frôlent les 230 microns, celles d’un éléphanteau 330 microns et  à l’âge adulte les rares poils d’éléphant voisinent  1.5 mm de diamètre. 

La toison de girafe est faite de poils presqu’aussi drus (370 à plus de 400  microns). 

Tous ceux précédemment cités sont cylindriques alors que les  poils du capibara, rongeur géant d’Amérique du Sud  sont de section ovale.

Usant d’un appareil classique de résistance à l’étirement des matériaux, après avoir prélevé des segments de cheveux et poils de 20 à 30 millimètres de long, ils les ont soumis à des tractions d’étirement jusqu’au point de rupture. L’unité de mesure de ces expériences est le méga-pascal 

  

Fig. 2. Tensiomètre et mesures expérimentales tension/diamètre de poils. (Ref. 1) alignées sur une fonction de Weibull.

Quelles conclusions tirer de ces savantes études ?

 1) En premier que tirer le cheveu d’un enfants avant qu’il ne cède exige une traction presque trois fois supérieure à celle requise pour rompre un cheveu d’un ou une adulte.

2) Les hommes barbus pour leur grand malheur sont plus fragiles qu’on imagine des poils de leur  menton.

3) Ebourrer un sanglier, un pécari, un éléphant ou une girafe, même s’ils ont des poils plus fragiles que les nôtres nécessite tout de même force et courage.

4)  Ce sont des défauts dans la structure du cortex des poils épais qui sont responsables de leur relative fragilité par rapport aux cheveux et poils plus fins.

5)  Bien évidemment ce sont les qualités d’élasticité des molécules hélicoïdales des filaments de kératine du cortex qui sont mises  à l’épreuve dans ce type d’expérimentation. 

Dès lors, sachant que la résistance d’un cheveu est liée à la cohésion des fibres de kératine de son cortex, est-il utile pour prétendre le renforcer d’oindre d’un cosmétique sa cuticule  ?

  1. Wen Yang, Yang YU, Robert O? Riichie, Marc A. Meyers. 2020. On the the strength of Hair across species. Matters, 2, 136-149 https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.09.019 

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