[contre-intuitif #1] Le ressort

23.12.2016 par Richard Taillet, dans paradoxes

Le recours à des phénomènes surprenants est un moyen puissant de mettre à l'épreuve notre intuition et, éventuellement, de l'aiguiser et la préciser. Si le physicien y fait appel pour enseigner ou vulgariser sa discipline, il peut aussi parfois être confronté lui-même à des questions auxquelles il fournira une première réponse fausse ou douter de la réalité d'un phénomène qu'on lui expose, avant de réaliser son erreur en y réfléchissant de façon plus rigoureuse. Je vais ici présenter une de ces situations, qui continue de me fasciner même après l'avoir comprise.

La vidéo ci-dessus montre un ressort qui, tenu par une de ses extrémités, pend sous son propre poids. Ce ressort est relâché. On voit très clairement que le bas du ressort ne commence pas immédiatement à tomber, il est retenu par les parties supérieures, elles-mêmes retenues par les parties supérieures, etc. Ce n'est que lorsque l'onde de détente qui parcourt le ressort ne l'atteint que le bas du ressort commence à tomber1. Cette situation est déjà surprenante, mais on peut aller un pas plus loin dans le non-intuitif.

Dans un article récent2, Thomas Dooling et ses collaborateurs s'intéressent à une situation analogue, mais que je trouve encore plus troublante. Essentiellement, on attache une extrémité d'un ressort à un disque en rotation. Sous l'effet de la force centrifuge, le ressort s'allonge et après quelques oscillations, se stabilise dans une position radiale et allongée. C'est alors qu'on relâche le ressort, qu'on libère son point d'attache au disque. On observe alors que l'autre extrémité du ressort continue à suivre un mouvement circulaire pendant tout le temps qu'il faut pour que l'onde de détente du ressort l'atteigne, exactement de la même façon que dans la situation précédente, le bas du ressort devait attendre que l'onde de détente l'ait atteinte avant de commencer à chuter. On le voit très nettement dans la vidéo proposée par les auteurs :

Au passage, les auteurs de cet article proposent également une modélisation réaliste de la situation (tenant compte de la distribution de masse du ressort, des frottements de l'air) et montrent que cette modélisation rend bien compte de leurs observations.

Merci aux auteurs pour cette belle opportunité d'être surpris et de se remettre en question, sur un point ne faisant appel qu'à de la physique très classique !

Notes

[1] On peut noter que le centre de masse du système chute bien suivant la loi usuelle, comme le ferait un objet compact de même masse soumis aux mêmes frottements.

[2] « The motion of a spring released from uniform circular motion », Dooling et al., American Journal of Physics 84 (septembre 2016) p. 664, [web]


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