cisaillement

Une flaque de boue qui sèche se couvre de fissures, comme un vieux tableau se craquèle. Au début, les fissures se rencontrent presque à angle droit, formant une grossière grille. Mais si l'on remouille la boue et qu'on la laisse sécher, le motif change : les fissures commencent à se rencontrer par trois, sous un angle de 120 degrés, comme les alvéoles des abeilles.

En 1934, Jean Leray a prouvé que les équations de Navier–Stokes ont toujours des solutions « au sens généralisé ». Si la solution reste lisse ou peut se briser en une singularité, il ne l'a pas su, et personne ne l'a su pendant quatre-vingt-dix ans. En 2000, l'Institut Clay a fait de la question l'un de ses sept problèmes du Millénaire.

Une feuille de papier se déchire là où la tension dépasse la résistance. L'épithélium, la couche de cellules qui tapisse nos organes, se comporte de manière similaire, mais jusqu'à récemment, les modèles ne pouvaient pas montrer comment des fissures y apparaissent.

Un lac en période de sécheresse ne s'assèche pas d'un coup. D'abord, des îlots de terre émergent à la surface, ils s'étendent, fusionnent, et ce n'est qu'ensuite que l'eau quitte le fond mis à nu. De la même manière, un cristal de mirabilite se comporte lorsqu'il perd de l'eau : des taches circulaires de sel anhydre apparaissent à sa surface, s'étendent latéralement, puis commencent à s'enfoncer.

Une goutte de pluie tombe sur une vitre et s'étale en une galette. Ajoutez un peu de polymère à l'eau : elle devient élastique, comme un gel. On pourrait penser qu'un tel gel s'étalerait différemment.

En 1915, Albert Einstein et Wander Johannes de Haas ont montré que lorsqu'on aimante une barre de fer, celle-ci tourne légèrement — le moment angulaire des électrons est transmis au réseau cristallin.

Une couche vivante de cellules évoque une foule sur un escalator. Au calme, tout le monde avance en douceur, mais dès qu'une bousculade se produit, le mouvement se fige. De même, les couches de cellules sous contrainte peuvent durcir soudainement, passant d'une masse malléable à un échafaudage rigide.

Un morceau de pâte à modeler, si on le malaxe, se comporte comme un solide amorphe — ni cristal, ni liquide. À l'intérieur d'un tel matériau, des avalanches peuvent se produire : une minuscule réorganisation en entraîne d'autres, et une onde traverse tout l'échantillon.

Une fine couche d'huile à la surface de l'eau se fragmente en gouttelettes au moindre choc. Quelque chose de similaire se produit dans le vent des pulsars — le flux de particules éjecté par une étoile à neutrons en rotation rapide. Ce flux contient également des couches de plasma qui peuvent se briser en amas — les îles magnétiques.

Si l'on jette un glaçon dans un verre d'eau, il flottera jusqu'à ce qu'il fonde. Mais si l'on refroidit lentement l'eau, à un moment donné elle se prend entièrement en glace d'un coup — c'est une transition de phase de première espèce : brutale, avec une frontière nette.

Deux feuilles de papier superposées, lorsqu'on les chauffe, commencent à ramper imperceptiblement l'une sur l'autre. C'est à peu près ce que font les couches de disulfure de molybdène, un matériau d'un atome d'épaisseur. À température ambiante, elles glissent spontanément à une vitesse d'environ un mètre par seconde.

Lorsqu'on étire un morceau de métal, il change de forme et, en même temps, devient plus résistant. Le secret réside dans de minuscules défauts du réseau cristallin, appelés dislocations. C'est comme les plis d'un tapis : si l'on déplace un pli, le tapis se déplace plus facilement que si l'on tirait le tapis entier.

Une feuille plate avec des fentes dans un courant d'eau ou d'air se comporte comme des persiennes auto-ajustables. La pression ouvre les fentes, et chaque bande de matériau s'incline, devenant une mini-aile. Ainsi, même une feuille placée perpendiculairement au flux génère non seulement de la traînée, mais aussi une portance latérale significative.

Une goutte d'huile dans l'eau, recouverte de molécules de savon, ne se comporte pas comme une goutte nue. Les molécules de savon sont de petites tiges : une extrémité aime l'eau, l'autre l'huile. Dans un fluide au repos, elles se tiennent à la surface comme une palissade et réduisent la tension de surface — cette force qui rassemble la goutte en une sphère.

Le film lacrymal sur l'œil est une couche de liquide extrêmement fine qui protège la cornée et maintient la netteté de la vision. On se le représente généralement comme une surface parfaitement lisse, mais la vraie cornée, même saine, est couverte de micro-irrégularités.

Une goutte de pluie qui tombe sur le sol frappe avec une certaine force. Mais que se passe-t-il si la goutte n'est pas ronde, mais allongée comme un cigare, ou aplatie comme une crêpe ? Il s'avère que la forme de la goutte est déterminante : la force de l'impact peut varier de plus de dix fois simplement à cause de l'apparence de la goutte au moment de la chute.

Dans les profondeurs de la Terre, l'eau est comprimée plus de mille fois plus qu'en surface. Même là, elle continue de s'écouler, mais sa structure interne change.

Une pièce qui tourne sur une table est un spectacle familier. D'abord, elle tourne rapidement, puis elle penche, et son cliquetis devient de plus en plus rapide. Dans les dernières secondes, elle semble suspendue : la rotation ralentit, mais la pièce ne veut pas se coucher complètement. Ce moment final est une véritable énigme pour les physiciens.

Un morceau de pâte, si on le tire sur les côtés, ne s'étire pas uniformément : à un endroit, il s'amincit et se déchire. Un tissu vivant se comporte de manière similaire, mais au lieu d'une déchirure, des bandes de cisaillement apparaissent — des zones étroites où les cellules commencent à glisser les unes sur les autres, comme des cartes dans un jeu qu'on coupe.

Les cellules à la surface de l'embryon ressemblent à des grains de riz qui peuvent s'aligner dans une même direction. Cet ordre est appelé nématique. Il apparaît lorsque les cellules commencent à agir de manière coordonnée, comme un banc de poissons qui nage dans une seule direction.

La couche de cellules qui tapisse les organes internes ressemble à une file d'attente dans un métro bondé : tout le monde est serré, mais parfois la foule commence à s'écouler et les gens se faufilent les uns devant les autres. Les biologistes appellent cela une transition d'un état solide et figé à un état fluide.

La vessie ressemble à un ballon de baudruche : pendant qu'elle se remplit, la paroi s'étire et la forme change. Les médecins surveillent généralement la pression interne et la quantité de liquide introduite, mais ils prêtent rarement attention à la géométrie elle-même, c'est-à-dire à la manière dont la surface se courbe.

Lorsque deux plaques de la croûte terrestre frottent l'une contre l'autre, une couche de roche broyée s'interpose entre elles – comme du sable entre les paumes. Cette couche, que les géologues appellent gouge de faille, ne se comporte pas comme une roche solide, mais plutôt comme une pâte épaisse : elle peut se compacter, se dilater et glisser.

Un cylindre émoussé filant à six fois la vitesse du son n'est pas l'objet le plus élégant, mais c'est lui le héros de cette nouvelle simulation. La surface d'un tel engin n'est jamais parfaitement lisse : lors de l'entrée dans l'atmosphère, le bouclier thermique brûle, créant des bosses et des creux.

La bactérie nage comme un petit hors-bord muni d'une hélice. Seulement, son hélice est un long flagelle qui tourne et propulse le corps vers l'avant. Mais le corps n'avance pas droit : il se balance comme un bouchon à la surface de l'eau. Ce balancement n'est pas un hasard, c'est une partie intégrante de la mécanique du mouvement.

La toile d'araignée n'est pas qu'un simple piège collant, c'est un instrument subtil qui réagit à la météo. Lorsque l'air devient humide, les fils de soie se raccourcissent et se tordent, comme une serviette mouillée que l'on essore en la tordant par les deux extrémités. On pensait auparavant que le fil se tordait parce que les protéines y sont disposées en spirale.

Une goutte d'un mélange épais d'amidon de maïs et d'eau tombe sur une table. Habituellement, un tel mélange durcit instantanément sous un choc violent — on peut même courir dessus si l'on remplit une piscine avec. Mais dans cette expérience, tout s'est passé autrement.

Tapez sur le fond d'une boîte de conserve : il se creuse vers l'intérieur et y reste. Appuyez à nouveau : il se bombe vers l'extérieur. C'est la bistabilité : un système a deux états stables, comme un interrupteur. Une arche élastique est l'exemple le plus simple d'un tel système. Elle peut être courbée vers le haut ou vers le bas, et pour la faire basculer, il faut exercer une force.

Un fil fin dans un courant d'eau, c'est comme un cheveu sous la douche. Si l'on agite l'eau d'avant en arrière, le cheveu tantôt s'étire dans le sens du courant, tantôt se replie. Des scientifiques ont pris de véritables fils de protéines (de l'actine, celle qui compose les muscles) et les ont placés dans un canal microscopique où le liquide oscillait à différentes fréquences.

Dans un cristal de diamant, il existe des fissures invisibles : les dislocations. Ce sont des endroits où les rangées d'atomes sont décalées, comme si, dans une pile de feuilles, on avait tiré une feuille à moitié. Autour de ces zones, une contrainte apparaît, et elle influence la façon dont le matériau se brise, se plie ou conduit le courant.

L'Univers primordial était loin d'être parfait : certaines régions s'étiraient plus vite que d'autres, créant des plis et des distorsions. Mais le rebond quantique — le passage de la contraction à l'expansion, provoqué par les lois du monde microscopique — corrige tout.

Une goutte d'eau tombe sur une feuille de lotus et rebondit sans laisser de trace. Ce miracle d'auto-nettoyage, la nature l'a perfectionné pendant des millions d'années, et les ingénieurs tentent depuis longtemps de le reproduire. Mais si la goutte frappe trop vite, elle se fragmente en éclaboussures, perdant de la masse et laissant des traces humides sur la surface.