Parfois, certaines expériences physiques ont un dénouement qui ne suit pas l’intuition ou la logique.
Parfois même le résultat est exactement le contraire de l’idée que l’on veut faire passer : c’est le cas par exemple du radiomètre de Crookes, l’« éolienne à lumière ». Crookes voulut un jour démontrer que la lumière pouvait exercer une pression, et il construit ce dispositif rotatif. Son expérience fonctionna : les pales se mirent à tourner… mais dans le sens contraire à ce qui avait été prédit, et il a fallu attendre des cerveaux comme Einstein ou Reynolds pour comprendre tout ça !
Ci dessous, quelques autres de ces expériences aux résultats inattendus, mais qui ne peuvent être remis en cause : l’expérience montre la réalité des faits par définition, et on ne peut pas changer les faits.
Les pendules couplés
Tendez légèrement un fil entre deux supports. Accrochez à ce fil deux autre fils avec chacun une bille au bout. Mettez une des billes en mouvement et observez : vous verrez que le premier pendule va finir par ralentir alors que le second qui était à l’arrêt va se mettre en mouvement.
Cette inversion va se répéter indéfiniment.
Pourquoi ?
Les deux pendules ne sont ici pas indépendants : ils sont couplés par le bout de fil qui relie les deux pendules. C’est lui est important ici, et il joue un peu comme le troisième pendule de l’histoire, qui va rythmer l’inversion du mouvement des deux autres.
Physiquement, les oscillations augmentant d’un côté et s’affaiblissant de l’autre montrent une conservation de l’énergie mécanique sur les deux pendules : l’énergie passe de l’un à l’autre de façon à ce que le total soit toujours constant.
L’alternance dans les oscillations et de la mise à l’arrêt d’un pendule traduit le fait que le transfert d’énergie est lui même oscillant : l’énergie est bien conservée, mais passe d’un pendule à l’autre et revient.
D’un point de vu plus théorique, les équations régissant les oscillations sont ici des équations différentielles du second ordre, ce qui signifie que le balancement d’un des pendules dépend des variations dans le balancement du second (et non plus seulement du balancement). De plus, cette variation se faisant en sens inverse, on explique alors que le second pendule et à son maximum d’amplitude quand le premier est à l’arrêt, et inversement.
Les solutions de ces équations différentielles du second ordre sont des fonctions sinusoïdales alternatives. Ceci explique le fait que le transfert d’énergie se fait dans un sens puis dans l’autre alternativement.
L’agitation de particules
On fixe une petite boite scindée en deux compartiments par une barrière plus basse que le bord sur un haut parleur relié à un générateur basses fréquences (GBF). Chaque compartiment contient des petites billes de plastiques.
Quand on met le GBF sous tension, la boite se met à vibrer sur le haut parler et les billes se mettent à sautiller.
On aurait tendance à penser que les billes sauteront sans cesse d’un compartiment à l’autre, et qu’à la fin on trouve sensiblement le même nombre de billes d’un côté que de l’autre.
En réalité, au bout d’un moment, les billes sont toutes allées dans un seul compartiment laissant l’autre complètement vide.
Que ce passe-t-il ?
En fait, les billes s’entrechoquent et rebondissent les unes contre les autres. Or les rebonds étant toujours moins hauts que la hauteur de lâcher (chaque choc dissipe de l’énergie : bruit, frottements, élasticité…), si on met plus de billes, il y aura plus de chocs et plus de pertes d’énergie : les billes sautent donc moins haut.
Au début, s’il y autant de billes des deux côtés, on a autant de chances qu’une bille de gauche passe à droite ou qu’une bille de droite passe à gauche.
Admettons qu’une bille passe de droite à gauche : dés lors, il y a plus de billes à gauche qu’à droite. Du coup, les billes à gauche subissent d’avantage de chocs et sautent moins haut. À droite c’est l’inverse : moins de billes signifie moins de chocs et les billes sautent plus haut : les billes de droite ont donc plus de chances de passer à gauche. Ce sont bien les première billes qui changent de côté qui vont déterminer là où se trouveront toutes les billes à la fin.
Lorsqu’un grand nombre de billes sont à gauche, ce n’est qu’une question de temps pour que toutes les billes y passent.
Quand toutes les billes sont du même côté, le système est stable et n’évolue plus : les frottements sont suffisants pour empêcher totalement les billes de passer de l’autre.
L’effet Mpemba
L’effet Mpemba est le nom du phénomène qui fait que l’eau chaude gèle plus rapidement que l’eau froide.
Placez au congélateur deux gobelets d’eau (pas en verre sinon ça casse) : un gobelet d’eau froide (du robinet) et un gobelet d’eau chaude. Si vous laissez ça au froid, vous verrez que le gobelet qui voit l’eau se solidifier en premier est celui qui contenait de l’eau chaude.
Pourquoi ?
La raison à ce phénomène n’est pas encore tout à fait claire. L’effet est connu depuis l’antiquité mais a été redécouvert par hasard dans les années 1960 par E. Mpemba qui a donné son nom à l’effet Mpemba.
Cela semble une combinaison de plusieurs facteurs : qualité de l’eau (perso avec l’eau du robinet ça a toujours marché), surfusion, givre, évaporation, mouvements dans l’eau…
Le phénomène fait encore partie de ces énigmes de la science…