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Petits bateaux flottant sur et sous une couche de liquide en lévitation.
Petits bateaux flottant sur et sous une couche de liquide en lévitation. Emmanuel Fort, Author provided

Anti-gravité : comment un bateau peut flotter à l'envers

Sur Terre, tout est soumis à la gravité : les objets tombent et les rivières s’écoulent des hauteurs vers la mer. Les conséquences d’une absence de pesanteur sont aujourd’hui bien connues au travers des images d’astronautes flottant dans leur cabine. Mais peut-on fabriquer un appareil à anti-gravité ? Les objets « tomberaient » alors vers le haut, les océans léviteraient et on verrait des bateaux flotter à l’envers sur ces océans inversés. Cette anti-gravité est présente dans plusieurs mondes imaginaires, comme Pirates des Caraïbes 3 où Jack Sparrow parvient à faire flotter son navire à la surface inférieure d’un océan inversé ou dans le manga One Piece où une mer au-dessus des nuages est explorée par des aventuriers. La réalité pourrait-elle rejoindre la fiction ?

Petits bateaux, de 3 cm environ, flottant au-dessus et au-dessous d’une couche de liquide en lévitation.

Un pendule à l’envers

Une expérience surprenante a été faite au début du vingtième siècle. Elle utilise un pendule, semblable à celui du professeur Tournesol, composé d’une tige rigide avec une masse à son extrémité. Lorsque le pendule est inversé avec la masse à la verticale vers le haut, on s’attend à ce la moindre perturbation la fasse retomber. Or, de façon très surprenante, si l’on fait vibrer verticalement le pendule, cette position inversée devenait stable. Le pendule reste ainsi à l’envers, défiant la gravité. Cette expérience peut être réalisée chez soi avec un simple haut-parleur ou une scie sauteuse pour agiter le pendule. Une chaîne de pendules attachés les uns aux autres peut également être stabilisée à l’envers. En vibrant suffisamment fort, il serait même possible théoriquement de maintenir une corde se dressant en l’air comme un tour de magie… mais sans truquage ! Les accélérations requises pour une telle expérience sont néanmoins difficiles à atteindre en pratique.

Un pendule pesant vibré verticalement présente une stabilisation « la tête en bas ».

L’explication de ce phénomène a été donnée par le prix Nobel de physique Pyotr Kapitza dans les années 1950. Il s’agit d’un effet dynamique : les vibrations agissent sur la masse du pendule comme une force stabilisante pour maintenir l’équilibre. Cette force émerge mathématiquement des corrélations existant entre la vibration du point d’accroche entre le moteur et le pendule et la position du pendule.

Des liquides à l’envers ?

Notre expérience quotidienne nous montre qu’un liquide non plus ne reste pas « à l’envers » : lorsque la vapeur d’eau se condense sur un couvercle de casserole ou lorsque l’on essaie de peindre un plafond, des gouttes pendantes se forment et finissent par tomber.

Créer une couche de liquide (huile de silicone) en lévitation, puis deux, dans des récipients en vibration.

Mais en faisant vibrer verticalement le plafond, on observe cependant que ces gouttes pendantes réintègrent la couche liquide qui redevient plane comme si la gravité était inversée. En fait, il s’agit du même phénomène que pour le pendule. Les vibrations des gouttes pendantes induisent une force dirigée vers le haut qui s’oppose à leur poids. Pour une vibration suffisante, la couche liquide tout entière reste stable, au plafond.

Quel serait le comportement d’un objet placé dans un liquide ainsi attiré vers le haut ?

Lorsqu’un objet est plongé dans un liquide, son comportement dépend de sa densité : un objet moins dense que le liquide va remonter vers la surface tandis qu’un objet plus dense va naturellement couler. C’est par exemple pour cela qu’une bulle d’air (dont la densité est très faible devant celle de l’eau à pression atmosphérique) produite au fond d’un bac d’eau remonte à la surface. Cependant, lors des débuts de la conquête spatiale, un phénomène étrange a été observé. Les bulles de gaz présentes dans le carburant des fusées coulaient au lieu de remonter à la surface sous l’effet des vibrations durant leur vol. Ce phénomène étrange qui pouvait avoir des conséquences dramatiques du fait de la présence de gaz dans le carburant a fait l’objet d’études poussées qui ont révélé que les oscillations des bulles induites par les vibrations de la fusée résultaient en une force orientée vers le bas, s’opposant à la poussée d’Archimède.

Contrôle de la hauteur d’une bulle d’air dans un liquide (huile de silicone) vibré verticalement, en changeant l’excitation du bain.

Cette expérience peut être reproduite simplement avec un récipient contenant un liquide que l’on ferait vibrer. En faisant des bulles dans le liquide à l’aide d’une seringue, il est possible de contrôler le mouvement des bulles en jouant sur l’excitation du bain.

En injectant plus d’air, il est même possible de remplir entièrement le fond du récipient. Dans ce cas, le liquide est comme en lévitation sur un coussin d’air. Cette situation semble paradoxale, mais, à l’instar du pendule ou du liquide au plafond, les vibrations, là encore, stabilisent le liquide et l’empêchent de se déformer. Incapable de laisser l’air s’échapper, il reste alors en suspension. Plus la couche de liquide est grande, plus il faut vibrer énergiquement. Notre vibreur nous a permis de faire léviter un demi-litre de liquide. On est encore loin d’un océan, mais l’expérience suffit à créer un monde miniature dans lequel s’amuser !

Un monde à l’envers

Maintenant que le décor est en place, à quoi ressemblerait la vie dans un tel univers ? Pourrait-on par exemple nager ou flotter en dessous d’un tel océan ? La réponse est loin d’être évidente… mais il s’avère que l’on peut flotter sous cet océan exactement de la même manière qu’au-dessus ! Il n’y a absolument aucune différence entre être au-dessus ou en dessous du liquide pour la flottaison. La responsable de cette « anti-gravité » est la même que précédemment, à savoir la vibration. Celle-ci stabilise donc sur une surface qui ne devrait pas exister des flotteurs qui n’ont rien à y faire. Les effets originaux des vibrations sur les liquides restent encore largement à explorer avec de nombreuses applications potentielles. Les vibrations permettent de fournir une énergie aux liquides de façon différenciée, localisée et sans contact direct. Cela pourrait permettre dans le futur de changer des équilibres pour la désalinisation par exemple, ou encore de séparer des mélanges de liquides ainsi que des éléments dispersés dans des liquides pour des applications telles que le traitement des eaux usées et la dépollution de marées noires.

Mais, c’est aussi et avant tout une invitation à l’imagination où des bateaux se croisent sans se voir ou au rêve avec un ciel rempli de voiliers. De quoi faire se retourner Archimède dans son bain… ou plutôt de quoi retourner la baignoire tout entière !


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