La lévitation d’objets est un grand rêve de physicien. Bien que les scientifiques ne soient pas encore arrivés au point de faire léviter de grands objets dans les airs, ils parviennent néanmoins à mettre au point des dispositifs expérimentaux recréant en partie ce phénomène. C’est notamment le cas d’une équipe de physiciens français qui, récemment, est parvenue à faire flotter un liquide dans les airs, et à faire naviguer un petit bateau dessus… à l’endroit comme à l’envers.
Une équipe de physiciens français a montré que non seulement ils pouvaient faire planer une couche de liquide visqueux dans les airs, mais qu’un petit bateau pouvait également flotter sur la face inférieure de la couche de liquide, de la même manière que l’on flotterait normalement sur le dessus.
« C’était une expérience amusante. Tout a bien fonctionné. Et je suis toujours étonné par les résultats », déclare Emmanuel Fort, professeur à l’ESPCI Paris et auteur d’un article publié cette semaine dans la revue Nature, qui décrit cet exploit apparemment impossible.
Habituellement, un liquide plus dense coule vers le bas. C’est pourquoi le pétrole flotte sur l’eau. Même si vous versez d’abord une couche d’huile dans un récipient, puis ajoutez délicatement de l’eau sur le dessus, l’eau, plus lourde, commencera à couler à travers l’huile, formant des extensions qui atteindront le fond. Bientôt, l’eau se déposera au fond sous l’huile.
Un liquide visqueux mis en lévitation, grâce à des vibrations
La recherche sur les liquides en lévitation de Fort a commencé quand il a entendu une discussion sur le pendule de Kapitza, du nom de Pyotr Kapitsa, un physicien russe qui, en 1951, a décrit comment, si le pendule vibrait de haut en bas à la bonne fréquence, il resterait dans la configuration verticale indéfiniment. Une pensée est donc parvenue à Fort : « Au lieu d’avoir un pendule à l’envers, nous pourrions peut-être obtenir une couche de liquide à l’envers ».
En d’autres termes, les chercheurs voulaient créer une couche de liquide au-dessus de l’air. Cela ne fonctionne pas avec une couche d’eau, qui ondule facilement et devient instable. Mais cela fonctionne avec le glycérol et l’huile de silicone, qui sont plus épais que l’eau. La viscosité plus élevée supprime les ondulations.
Vidéo montrant comment un cycle de vibrations répétées permet de maintenir de l’huile de silicone en lévitation :
Les vibrations, environ 100 cycles par seconde, ont poussé des bulles injectées dans le liquide vers le bas, formant un coussin d’air sous le liquide en lévitation. Les vibrations ont également généré un rythme régulier de compressions qui a maintenu le liquide en lévitation intact. Lorsqu’une goutte a commencé à se former, la force ascendante de l’air a repoussé la goutte dans la couche, la maintenant stable.
Et une grande quantité de liquide peut être mise en lévitation de cette façon. Les chercheurs ont démontré qu’ils pouvaient soulever environ un demi-litre et que le liquide pouvait se répandre sur environ 20 cm de large. En principe, ils auraient pu faire beaucoup plus. « Il n’y a pas de limite ; il suffit de secouer davantage », indique Fort.
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Un coussin d’air suffisamment dense pour faire flotter des objets
Fort s’est également penché sur la manière dont les gouttelettes et les ondes dans l’eau peuvent servir de modèles pour certains aspects de la mécanique quantique. Une recherche dans la littérature scientifique a révélé que la lévitation de liquides avec des vibrations n’était pas un phénomène nouveau ; d’autres scientifiques avaient découvert le phénomène il y a des décennies.
Vidéo montrant comment des objets peuvent flotter sur les deux côtés de la couche de liquide en lévitation :
Mais l’équipe de Fort a suggéré quelque chose d’inhabituel : des objets pourraient flotter le long de cette couche inférieure d’un liquide en lévitation. En raison du poids du liquide, l’air sous la couche de lévitation est plus dense, et cet air plus dense pousse le bateau vers le haut dans le liquide, contrebalançant la force de gravité descendante. Résultat : un bateau flottant à l’envers.
Les physiciens ont d’abord utilisé de petites perles rondes pour leurs recherches, mais ils ont ensuite commencé à utiliser leur imprimante 3D pour que d’autres formes de plastique flottent à l’envers. Cela comprenait des canards et des grenouilles. Ceux-ci flottaient tous à l’envers sur la face inférieure du liquide en lévitation.