SLOW MOTION : une sélection de vidéos scientifiques au ralenti

En attendant un article un peu plus sérieux, et pour succomber à la mode des "top 10", je vous propose aujourd'hui une petite sélection de vidéos (scientifiques quand même) en "slow-motion" (ou "slow-mo" pour les intimes). Le développement des caméras ultra rapides, qui permettent de prendre plusieurs centaines, des milliers ou des millions de clichés par seconde, a révolutionné la technique classique du ralenti. En plus de fournir des films visuellement épatants, cette technique permet d’observer en détail des mécanismes qui nous ont parfois longtemps échappé. D’ailleurs, la légende veut que le mouvement de galop du cheval ait été expliqué en utilisant un film des frères Lumière passé au ralenti.

Séquence de clichés, Crédits : Eadweard Muybridge, 1887

Aujourd'hui, si l'explication des phénomènes est en général connue, cela n'en diminue pas le plaisir de les observer "en vrai" : on peut ainsi admirer l'explosion d'une bombe à eau qui dure environ 1/15 ème de seconde, la course incroyable du guépard, des effets hydrodynamiques d'un millième de secondes ou même des réactions chimiques à l'échelle du millionième de seconde. Encore plus fort, en combinant des clichés pris avec des lasers femtoseconde (0,00000000000000 seconde), on peut observer des réactions chimiques au niveau moléculaire ! Sachant que l’œil humain ne perçoit pas des événements qui durent moins de 50 millisecondes et qu'en dessous d'un dixième de seconde, notre cerveau amalgame les images similaires pour produire une illusion de continuité, c'est tout un univers qui nous était inaccessible. Mais ça, c'était avant !

Slow animaux

Le vol du colibri : les plus petits battent les ailes jusqu'à 80 fois par seconde ! Autant dire qu'à vitesse normale on ne voit que dalle. Pour pouvoir dépenser autant d'énergie, les colibris carburent au nectar qu'ils vont siroter dans les fleurs. Ils jouent ainsi le même rôle pollinisateur que les abeilles. Parfois, les colibris et les fleurs ont co-évolué de sorte qu'une seule espèce est adaptée à une fleur spécifique (et inversement).

La course du guépard : ce grand matou peut sprinter à 110 km/h, presque trois fois plus vite qu'Usain Bolt en vitesse de pointe. Je ne sais pas si la vidéo apporte beaucoup d'informations, mais c'est tellement beau à regarder :

  

Les mouvements les plus rapides du monde animal :  d'autres animaux moins emblématiques sont capables de mouvements réflexes extraordinaires. C'est le cas de cette salamandre et de cette crevette-mante qui frappe si vite et si fort qu'elle fait bouillir l'eau et jaillir des éclairs, comme dans Tekken !

La physique en slow motion

S'il y a un domaine où la slow-mo peut devenir un formidable outil pédagogique, c'est bien la physique !

La combustion d'une allumette :

La physique des bombes à eau : que se passe-t-il exactement quand un ballon gonflé d'eau éclate en pleine figure ? La réponse avec cette vidéo, où l'on voit le ballon se déformer jusqu'au point de rupture :

La physique des bulles de savon : La bulle de savon est un objet formidable à étudier d'un point de vue physique. Elle est constituée d'une mince couche d'eau maintenue entre deux couches de molécules de savon. Ces molécules sont des tensio-actifs, c'est à dire qu'elles exercent une force (appelée tension de surface) sur les surfaces externes et internes de la bulle. C'est cette force qui tend et "maintient" la surface de la bulle et la force à adopter une forme sphérique, plus favorable d'un point de vue énergétique. L'éclatement de la bulle est un phénomène fugace ; en quelques millièmes de secondes, la pellicule de tensio-actifs se déchire, libérant l'eau qu'elle contient.

La physique des gouttes est tout aussi fascinante. La forme et le mouvement d'une goutte de liquide sont la conséquence de plusieurs forces antagonistes : la tension de surface (spécifique à chaque liquide) qui donne sa forme sphérique à la goutte et la force de pesanteur qui la déforme et l'attire vers le bas. Lorsque la goutte chute dans un autre liquide, des phénomènes complexes se produisent, qui dépendent principalement de la nature des liquides et de la vitesse de la goutte. Une goutte peut ainsi "rebondir" ou être parcourue par des ondulations, c'est ce que l'on voit dans les vidéos ci-dessous :

World in a Drop from Matt Kuchta on Vimeo.

La physique des impacts : probablement la catégorie où l'on trouve le plus de vidéos. Je montre celle-ci, bien que je ne sois pas du tout pro-arme, juste pour montrer un phénomène intéressant, au tout début. Lorsque la balle en métal percute un support plus dur, l’énergie n'est pas dissipée par le matériau sous forme d'explosion : elle est transformée en chaleur qui liquéfie la balle !

Et puisqu'on parle d'armes à feu, voici une vidéo où l'on peut voir les effets d'un tir d'AK-47 sous l'eau :

Sur cette autre vidéo (une pub pour une boisson vitaminée), on voit comment une balle de golf pulvérise une pauvre pastèque. 

La physique des éclairs : ma préférée ! Elle se passe de commentaires.

Lightning captured at 7,207 images per second from ZT Research on Vimeo.

La physique des ondes : de la vibration des cordes d'une guitare à celles d'un ressort, les vidéos ne manquent pas. J'ai choisi celle-ci qui montre comment un verre entre en résonance à une certaine fréquence de son et finit par se briser. L'amplitude des déformations est impressionnante :

Une petite digression : la vidéo ci-dessous n'est pas en slow-motion ! Mais avec une vitesse d'obturation élevée, on peut visiblement apprécier le parcours des ondes dans les cordes de l'instrument :

Bon, je ne résiste pas à l'envie de montrer ces deux vidéos, découvertes grâce à Pierre Kerner, et qui montre, l'une le comportement intrigant d'une chaîne de perles, qui s'élève dans les airs pour mieux s'extirper de son récipient, l'autre la façon dont l'extrémité inférieure d'un Slinky, cet espèce de ressort coloré qu'on a brièvement appelé du temps de ma jeunesse un "ondamania", reste quasiment fixe pendant que l’extrémité supérieure est en chute libre.

Le meilleur pour la fin : dans cette vidéo, Ramesh Raskar du M.I.T présente, avec un bel accent indien, une technique d'imagerie à mille milliards (1000000000000) de clichés par secondes : suffisant pour voir la lumière se déplacer ! Cette technique ouvre un nouveau monde de possibilités avec des applications potentielles très nombreuses : imagerie médicale, analyse et expérimentation, détection de défauts, photographie, effets spéciaux, exploration etc. En analysant les clichés, il est même possible de reconstituer des scènes ou de repérer des objets cachés, sur lesquels des photons auraient rebondi avant d’atteindre l’objectif de la caméra.

C'est tout pour aujourd'hui ! J'ai sûrement loupé des trucs, n'hésitez pas à m'envoyer des liens de vidéos ! Et pour ceux qui aimeraient se mettre à la photographie ultra-rapide, il existe plusieurs solutions :

- soit vous êtes blindés et vous achetez une caméra adaptée (plusieurs dizaines de milliers d'euros).

- soit vous filmez avec un appareil classique et vous truquez votre film à l'aide d'un logiciel qui crée des images intermédiaires. Des exemples de vidéos et l'explication détaillée sont visibles sur le blog SSAFT.

- Enfin, vous pouvez faire comme ces deux mecs : acheter à crédit une caméra ultra-rapide, rentabiliser votre équipement en passant vos journées à filmer tout ce qui peut potentiellement être sweet en slow-motion (explosions en tous genres, chutes dans l'eau, baffe dans la gueule) et créer une chaine YouTube sur laquelle des auteurs de blog perdront quelques heures. Dans une des vidéos, on peut voir la chaîne complexe de contractions et de dilatation engendrée par l'onde de choc après un tir sous l'eau.

Pour en savoir plus sur la technique : cette page wiki

Pour se documenter sur la photographie haute vitesse : cette page.
Pour finir, une sélection des lecteurs :

• l'atterrissage d'une chouette (Anonyme)
• Les oscillations couplées au niveau de la poitrine (intérêt scientifique quasi nul mais résultat hypnotique, merci à Andréa !) 
• le blog de Matt Kuchta (merci à Alain !)