MONTEZ LE SON, L'ÉTOILE TOURNE À L'ENVERS

Le son peut soulever des objets. Entre un pavillon qui vibre et un réflecteur, une onde stationnaire ultrasonore puissante crée des endroits où de petits objets — gouttes, films minces, grains — flottent dans l’air sans rien toucher. La technique est en cours de développement pour l’analyse chimique et pharmaceutique et pour assembler de minuscules structures.

Elle a une manie tenace : les objets en lévitation se mettent souvent à tourner tout seuls. Il existe des explications pour des cas particuliers, mais aucune règle générale ne disait quand un objet tournerait, dans quel sens, ni à quelle vitesse.

Des étoiles aux branches courbes

Sue Shi, Scott Waitukaitis et leurs collègues de l’Institut des sciences et technologies d’Autriche (ISTA) ont construit un lévitateur fonctionnant à environ 51 kilohertz, avec un réflecteur en saphir sur une monture à cardan de précision pour aligner très finement le champ sonore. Ils ont imprimé en 3D des particules fluorescentes de 200 micromètres d’épaisseur, chacune inscrite dans un cercle d’un millimètre, et les ont filmées par en dessous à 3 000 images par seconde.

Le premier résultat concerne la symétrie. Dans un champ bien aligné, triangles, carrés, pentagones et étoiles à branches droites — des formes identiques à leur reflet dans un miroir — ne tournent jamais. Les « étoiles chirales », dont toutes les branches se courbent dans le même sens, se mettent à tourner dès qu’elles flottent et atteignent une vitesse stable en quelques centaines de millisecondes. La courbure fixe le sens ; retournez l’étoile, elle tourne dans l’autre sens. Incliner volontairement le réflecteur fait tourner même un carré : la rotation spontanée exige une symétrie brisée, dans l’objet ou dans le champ sonore.

Plus de branches, comportement plus étrange

L’intuition dit que plus de branches captent plus de son, et qu’un son plus fort pousse plus. Les mesures, sur trois copies quasi identiques de chaque étoile, disent autre chose.

• 3 et 5 branches : elles tournent de plus en plus vite à mesure que monte la tension du transducteur — et avec elle la pression sonore.
• 7 branches : vitesse maximale vers 12–13 volts, puis elles ralentissent.
• 10 branches : vitesse maximale vers 7–8 volts, puis elles ralentissent, s’arrêtent et repartent dans l’autre sens.
• 12 branches : même séquence, plus tôt — pic à 7 volts, inversion vers 10 volts.

Les étoiles les plus rapides atteignent environ 50 tours par seconde.

Une recette à deux termes

Pour l’expliquer, l’équipe a mis en balance un couple moteur — la poussée de rotation exercée par le son — et le frottement de l’air. Les deux s’écrivent comme de simples puissances de l’amplitude sonore : la torsion a un terme principal et une correction qui croît plus vite, et le frottement augmente avec l’amplitude. Le frottement n’est pas deviné : il est mesuré en regardant à quelle vitesse chaque étoile se stabilise après un saut brusque de tension : le champ sonore atteint sa nouvelle valeur en une dizaine de millisecondes, alors que l’étoile met environ 183 millisecondes à retrouver sa vitesse (étoile à 12 branches, de 7 à 8 volts), un retard qui ne vient que du frein de l’air — et calculé à amplitude nulle à partir de la forme de l’étoile. Il ne reste que deux nombres libres par forme, et la courbe obtenue colle à toutes les étoiles, de l’accélération régulière à l’inversion complète.

Les ajustements racontent une histoire cohérente. Plus de branches donnent une poussée plus forte à faible volume : les étoiles très ramifiées démarrent plus vite. Mais elles apportent aussi une contribution opposée croissante qui l’emporte à fort volume — et quand elle l’emporte, l’étoile s’inverse. La tension d’inversion suit une formule simple, V* = 1/√(−α), où α est négatif dès que la correction s’oppose à la poussée : plus il est grand en valeur absolue, plus l’inversion arrive tôt.

Une étoile conçue pour basculer

Le vrai test était une prédiction. L’équipe a conçu une étoile hybride : une moitié prise sur une étoile à 4 branches courbées dans le sens horaire, l’autre sur une étoile à 10 branches courbées dans l’autre sens. Additionner les courbes prévues des deux moitiés donnait un pronostic : sens antihoraire à faible volume, où la moitié à 10 branches domine ; sens horaire à fort volume. L’hybride imprimée a fait exactement cela — antihoraire à 7 volts, immobile à 9 volts, horaire à 11 volts — en s’inversant à la tension prévue.

Une force que personne n’attendait

Le modèle décrit la poussée opposée sans dire d’où elle vient. Les auteurs montrent qu’elle ne peut pas venir de la théorie habituelle des forces acoustiques, où chaque effet croît comme le carré de la pression sonore : toutes ces contributions garderaient alors les mêmes proportions quand le son monte, et le sens de rotation ne pourrait jamais s’inverser. Quelque chose d’ordre supérieur est à l’œuvre, et cela se renforce quand les branches voisines se rapprochent — peut-être un couplage entre branches adjacentes, par le son et par l’air. Mesurer ou simuler l’écoulement autour d’une étoile qui tourne est la prochaine étape. En attendant, la forme d’une particule est devenue un moyen de programmer sa rotation.