Comment peut-on soulever une voiture avec seulement deux annuaires ?

Par Gaëlle Degrez et Cécile Pérol / Publié le 16 décembre 2015

Invités à relever le défi dans l’émission On n’est pas que des cobayes sur France 5,  un chercheur et un enseignant-chercheur du Laboratoire de Physique des Solides (LPS - CNRS/UPSud) ont décidé d'en comprendre le modèle physique. Leurs travaux vont faire l'objet d'une publication dans la prestigieuse revue Physical Review Letters.


Image extraite de l'émission "On n'est pas que des cobayes". © France 5/2P2L

Internet regorge de séquences vidéo de ce phénomène physique étonnant : il s'avère quasiment impossible de séparer deux annuaires dont on a entremêlé les pages une à une, si on les tire de part et d'autre par leur couverture, et cela peu importe la force que l'on applique. Il est en effet possible de soulever une voiture, de résister à la traction de chars ou d'athlètes voire même de se jeter dans le vide en s'accrochant à un élastique simplement tenu par ces annuaires.

C'est à une expérience similaire que s'est livré Frédéric Restagno, chercheur au Laboratoire de Physique des Solides (LPS - CNRS/UPSud) à la demande de l'émission de vulgarisation scientifique On n'est pas des Cobayes sur France 5 (encadré). Or curieusement, une recherche bibliographique dans les articles scientifiques déjà publiés ne permettait pas, jusqu'à présent, de comprendre ces observations.

Piqué par la curiosité, Frédéric Restagno a alors décidé de reproduire et d'étudier en laboratoire ce modèle de forces de tension et de friction en jeu. Avec ses collègues du Laboratoire de Physique des Solides et en collaboration avec des chercheurs du Laboratoire Gulliver (CNRS/ESPCI ParisTech), du Laboratoire de génie des procédés papetiers (CNRS/Grenoble INP) et de l'Université McMaster au Canada, ont montré que lorsque l'on tire verticalement sur les tranches des annuaires entremêlés, une partie de la force verticale est convertie en une force horizontale qui vient appuyer sur les feuilles. Les pages restent ensuite accrochées les unes aux autres grâce aux frottements.

Huit mois de travail


Image extraite de l'émission "On n'est pas que des cobayes". © France 5/2P2L

Pour parvenir à résoudre cette énigme, les chercheurs ont intercalé des feuilles de papier, les ont placées verticalement dans une machine de traction et ont mesuré la force nécessaire pour les séparer en fonction de leur nombre, de l'épaisseur du papier et de la distance de recouvrement. L'analyse des expériences révèle l'importance de ces trois paramètres combinés. Les chercheurs ont notamment montré que la résistance de l'ensemble augmente beaucoup plus rapidement que le nombre de pages. Par exemple, à partir du moment où le nombre de pages est suffisant pour résister à une tension, une simple multiplication par dix du nombre de feuilles peut, dans le cas où les pages se recouvrent suffisamment, amplifier d'un facteur dix mille la résistance des annuaires.

Les chercheurs ont ensuite construit un modèle pour expliquer ces observations. Sur les côtés de l'empilement, les feuilles sont inclinées pour rejoindre la reliure; il existe alors un petit angle qui augmente au fur et à mesure que l'on ajoute des feuilles dans la pile ou que l'on intercale ces dernières plus profondément les unes dans les autres. Ainsi, quand on tire verticalement sur l'ensemble, une partie de la force est convertie en une force horizontale qui vient appuyer sur les feuilles. Les frottements permettent ensuite aux feuilles de rester liées les unes aux autres.

Comprendre le comportement mécanique de systèmes entremêlés complexes

Au-delà de l'aspect ludique de cette énigme, introduite dans l'émission On n'est pas que des cobayes sur France 5, cette étude rend désormais possible la mesure de coefficients de friction avec de très petites forces et pourront permettre de comprendre les comportements mécaniques de systèmes entremêlés plus complexes, comme les fibres textiles ou musculaires. Pour les chercheurs, l'intérêt futur réside ainsi, peut-être, dans la conception de nouveaux matériaux biomimétiques.

Ces travaux seront publiés en janvier 2016 dans la revue Physical Review Letters 

Références
Self-amplication of solid friction in interleaved assemblies. Hector Alarçon, Thomas Salez, Christophe Poulard, Jean-Francis Bloch, Elie Raphaël, Kari Dalnoki-Veress, et Frédéric Restagno. Physical Review Letters, janvier 2016. Sur ArXiv : http://arxiv.org/abs/1508.03290

Pour voir ou revoir l'émission
On n’est pas que des cobayes

Dernière modification le 15 février 2016