Du merveilleux caché dans le quotidien

Une arche plus que millénaire se dresse à l’entrée du stade d’Olympie en Grèce : le début du couloir voûté, bâti en pierre et datant du VIIIe siècle avant notre ère, est encore intact. Même principe à l’œuvre pour le fameux « Pont de pierre » et ses 17 arches, à Bordeaux : tous les blocs, placés en demi-cercle, subissent pratiquement la même charge, d’une part le poids de l’arc en lui-même, d’autre part celui de son chargement, transformé, par la courbure, en compression tout au long de l’arche.

Cette compression est gage de stabilité, car elle empêche les pierres de glisser les unes par rapport aux autres. « Les forces de compression importantes sont reportées latéralement sur les larges piles verticales qui prolongent les arcs de voûte » (p.76). En effet, sans ces piles, la poussée horizontale aurait tendance à écarter les arches, les amenant à l’écroulement. Lorsque plusieurs arches sont accolées, comme c’est le cas pour les ponts, il faut alors prévoir des structures destinées à contenir la pression au niveau des dernières arches.

Mais dans la nature aussi, l’élégance est à l’œuvre au sein des mécanismes physiques qui s’esquissent. Un premier exemple nous est donné par la toile d’araignée : elle « associe des fils radiaux rigides qui la tendent et des fils disposés en cercle, plus aisément déformables, qui piégeront l’insecte imprudent » (p.92). Ces deux types de câbles ne présentent pas les mêmes atouts mécaniques : les câbles radiaux offrent une résistance pouvant atteindre celle de l’acier (pour les araignées du genre Nephila), conséquence de la structure moléculaire de la soie, faite de protéines rigides et de parties amorphes ; à l’inverse, la soie qui spirale autour de la toile offre une élasticité remarquable.

L’un des plus beaux exemples de merveille architecturale produite par la nature est celui des nids d’oiseaux : leur secret de fabrication réside dans la friction entre les brindilles ! De fait, « Pline l’Ancien, dans son Histoire naturelle, invitait déjà, dans une démarche biomimétique, à s’inspirer de ces bâtisseurs ailés » (p.112). Une grive, par exemple, élabore avec minutie la construction de son précieux nid. Après une amorce réalisée sur la fourche d’un arbre, elle dispose tiges et petites branches en croisillon.

Végétale ou construite, toute structure sur Terre doit, pour s’élever, s’opposer à la gravité. Et ainsi, la verticalité de la tige d’une fleur est assurée par la compression : celle-ci induit en même temps une infime réduction de sa hauteur. Dès que la tige s’écarte légèrement sur le côté, son poids tend à la faire pencher encore plus, ce qui provoque un effet de levier. Les physiciens qualifient ce phénomène d’instabilité de flambage. La résistance à la flexion s’oppose à cette instabilité : dans la tige, cette résistance est assurée par l’eau qui gonfle les cellules. Mais l’instabilité de flambage est universelle et concerne presque tous les matériaux.

Sergueï Bubka et Renaud Lavillenie : deux athlètes dont on peut voir les corps s’arracher du sol pour s’élever pieds en avant et franchir la barre en l’effleurant... Le saut à la perche est une belle illustration de la matière se mettant en mouvement : l’énergie acquise lors de la course d’élan du sportif est transformée en énergie de flexion de la perche, puis sera restituée, propulsant l’athlète vers le ciel. De fait, la perche agit comme une catapulte, et les matériaux assurant sa souplesse mêlent désormais des fibres de verre ou de carbone à une résine qui assure la cohésion de l’ensemble.

C’est le même effet catapulte qui est mis en œuvre, par exemple, par la sauterelle : « En repliant ses longues pattes vers l’arrière, l’animal stocke de façon progressive de l’énergie élastique. En libérant un cliquet, la sauterelle active alors un mécanisme de décrochage brutal qui détend ses pattes à une vitesse inaccessible à ses muscles… La hauteur du saut représente jusqu’à cent fois la taille de l’animal ! » (p. 227)

Il y a plus d’un million d’années, nos ancêtres produisaient de premiers bifaces grossiers dans du silex. Au fil du temps, la taille s’est raffinée : l’apparition de l’andouiller, par exemple, un percuteur en bois de cervidé particulièrement dur, permit un écaillage plus précis sur les deux faces du silex. Grâce à ces brisures mieux dirigées, les outils produits furent de plus en plus tranchants. Si les diamants fabriqués aujourd’hui sont assez analogues dans leur forme, leur taille ressemble peu à l’élaboration des silex. La tâche est d’autant plus complexe que le diamant est le matériau le plus dur qui existe. Il est taillé par impact dans certains plans, puis scié, usé, poli. En quelque sorte, les artisans et artistes de la joaillerie sont à la fois opticiens, géomètres et mécaniciens…

La physique du quotidien est aussi élégante qu’elle est étonnante. Elle permet des prouesses, explique des phénomènes aussi anodins que les plis d’une feuille de papier froissée ou les déchirures sur une affiche collée qui peuvent la transformer en véritable œuvre d’art. Elle décrit l’origine de l’éclatement des bulles dans un verre de champagne, ou encore de la solidité de la nacre des coquillages, empilement de plaquettes d’aragonite unies par un mortier souple.

Du merveilleux caché dans le quotidien a reçu en 2019 le prix du livre scientifique Paris-Saclay. Il décrit la physique dans un genre qu’elle aborde rarement : celui du quotidien. Des explications précises, détaillées, permettent de comprendre pourquoi, par exemple, il est intéressant d’étudier les déchirures… Car de tels phénomènes peuvent, entre autres, conduire un chercheur comme Benoit Roman, l’un des auteurs de ce livre, à inventer, à créer : il a notamment breveté une « spirale exponentiellement divergente » visant à en finir avec ces emballages qui ne veulent jamais s’ouvrir... Autre audace non dénuée d’intérêt que guettent les chercheurs en physique : la reproduction de phénomènes naturels dans des applications humaines, ce qu’on nomme avec justesse le bio-mimétisme.

Ouvrage recensé – Du merveilleux caché dans le quotidien, La Physique de l’élégance, Paris, Flammarion, 2018.