Jouer grâce à la science

À l’occasion de la Saint-Nicolas, Maria Del Rio lève le voile sur les jouets les plus célèbres et leur fonctionnement scientifique, ce jeudi à 19h50 sur RTL-TVI dans «Tout s’explique».

Casse-tête mathématique

À l’origine, le Rubik’s cube n’était pas destiné à occuper les rayons des magasins de jouets. En 1974, Ernõ Rubik, mathématicien et architecte hongrois, construit ce cube pour expliquer la géométrie à trois dimensions à ses étudiants. Son premier prototype, entièrement sculpté en bois, est composé de 26 petits cubes et d’un centre. Chaque couche de 9 cubes peut pivoter sans faire bouger les autres.

Dans un deuxième temps, l’inventeur attribue une couleur à chaque face, à l’aide de papier adhésif coloré. Il remarque alors qu’il est difficile de revenir à l’agencement initial, une fois les faces mélangées. Trois ans plus tard, Ernõ Rubik décide de vendre son casse-tête comme jeu mathématique. Face au succès dans son pays d’origine, le cube est, plus tard, distribué mondialement.

Plus vieux jouet du monde

Considérée comme le plus vieux jouet du monde, la toupie est attestée depuis l’Antiquité. Des fouilles archéologiques ont permis d’en retrouver des exemplaires datant de 4.000 ans avant notre ère en Chine, ou de -3.500 en Mésopotamie. Très populaire en Extrême-Orient, la toupie est également présente en Égypte, en Grèce et dans le monde romain. Elle a ensuite traversé les siècles jusqu’à connaître encore de beaux jours dans nos cours d’école.

Mais comment la toupie peut-elle tourner aussi longtemps sans tomber ? Cela s’explique par le principe du gyroscope : un objet d’une certaine masse qui tourne assez vite sur lui-même conserve la même direction. Ainsi, la gravité tire vers le bas la toupie qui tourne et la ralentit. Mais une autre force entre en jeu : la force de rotation horizontale. La combinaison de ces deux forces s’appelle l’effet de précession.

Ensuite, en ralentissant, la toupie penche sur le côté. Sa pointe touche alors plus la surface du sol et la friction augmente. Résultat : la force de rotation horizontale ne peut plus neutraliser la force de gravité. La toupie finit donc par basculer et cesser de tourner.

La physique des yoyos

Autre jouet très ancien, le yoyo, parfois utilisé comme arme pour chasser les animaux sauvages, est lui aussi apparu durant l’Antiquité. La première trace de yoyo remonte à 440 avant notre ère sur une peinture grecque représentant un jeune homme en train d’y jouer. Mais, bien plus qu’un jouet, le yoyo permet de comprendre certaines lois de la physique, dont celle de la conservation de l’énergie.

Lorsqu’il est tenu dans notre main au-dessus du sol, le yoyo possède une énergie potentielle et est soumis à la force de gravité. Lorsqu’il descend, cette énergie se transforme en énergie cinétique. En remontant, celle-ci se convertit à nouveau en énergie potentielle. Et vice versa.

Mais, en réalité, le yoyo possède une deuxième énergie cinétique, produite lorsqu’il tourne en plus sur lui-même. C’est pour cela que le yoyo tombe plus lentement que n’importe quel autre objet qu’on lâche au-dessus du sol. Et si le yoyo ne peut monter et descendre indéfiniment, c’est notamment parce qu’il perd petit à petit son énergie en raison de la friction entre la cordelette et l’axe du yoyo et entre le yoyo et l’air.

Comme un boomerang

Toujours apprécié comme jeu d’adresse, le boomerang a, lui aussi, une longue histoire, même si son origine reste mystérieuse. Utilisé par les Aborigènes australiens pour effrayer les animaux lors de la chasse, il était connu d’autres cultures (dans l’Égypte antique ou chez les Amérindiens d’Arizona).

Mais comment un simple morceau de bois courbé peut-il revenir à son point de départ ? La question est restée sans réponse jusqu’en 1975, lorsqu’un scientifique néerlandais, Félix Hess, s’est penché sur la question. En fait, deux phénomènes physiques entrent en jeu : la portance et l’effet gyroscopique. À l’instar des ailes d’un avion, les pales du boomerang sont bombées sur le dessus et plates sur le dessous. Ainsi, l’air s’écoule plus rapidement au-dessus qu’en dessous.

Cette différence de pression crée une force qui aspire la pale vers le haut. C’est la portance. Lorsqu’il est lancé dans les airs, le boomerang tourne sur lui-même et est soumis à d’autres forces, comme la précession gyroscopique. Contrairement à la toupie dont l’axe reste vertical et fixe, le boomerang est en mouvement et son axe de rotation aura tendance à se modifier. Ainsi, l’engin suit une courbe dans les airs, jusqu’à ce que sa vitesse soit nulle et qu’il revienne en chute douce près de son point de départ.

Magique !

Lorsque les conquistadores espagnols ont débarqué en Amérique du Sud, ils ont découvert un jeu pratiqué par les Aztèques avec des balles en caoutchouc. Comme nos petites balles magiques aujourd’hui, celles-ci avaient le pouvoir de rebondir ! Une fois de plus, c’est la physique qui permet de comprendre pourquoi ces balles rebondissent autant. Lorsque nous lâchons une balle vers le sol, elle tombe en raison de la gravité. Cette force de pesanteur donne à la balle de l’énergie potentielle, variant selon la hauteur.

En tombant, la balle accumule de la vitesse, et donc de l’énergie cinétique. Au moment de l’impact, si toute l’énergie est transmise au sol, la balle ne peut pas rebondir. Mais si la balle conserve de l’énergie, elle peut rebondir. Or, la capacité de conserver de l’énergie dépend de l’élasticité de la balle. Les balles rebondissantes sont très élastiques grâce au caoutchouc qui les compose. Ainsi, elles se déforment très peu et ne perdent quasiment pas d’énergie lors d’un rebond. Bien sûr, au bout d’un moment, les rebonds cessent car toute l’énergie a été transmise au sol.

Cet article est paru dans le Télépro du 24/11/2022