Lorsque les humains, les animaux et les machines se déplacent à travers le monde, ils poussent toujours contre quelque chose, que ce soit le sol, l’air ou l’eau. Jusqu’à récemment, les physiciens pensaient qu’il s’agissait d’une constante, suivant la loi de la quantité de mouvement de conservation. Maintenant, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont prouvé le contraire : lorsque des corps existent dans des espaces courbes, il s’avère qu’ils peuvent en fait se déplacer sans pousser contre quelque chose.
Les conclusions ont été publiées dans Actes de l’Académie nationale des sciences le 28 juillet 2022. Dans l’article, une équipe de chercheurs dirigée par Zeb Rocklin, professeur adjoint à l’École de physique de Georgia Tech, a créé un robot confiné à une surface sphérique avec des niveaux d’isolement sans précédent de son environnement, de sorte que ces les effets induits par la courbure prédomineraient.
« Nous avons laissé notre objet qui change de forme se déplacer sur l’espace courbe le plus simple, une sphère, pour étudier systématiquement le mouvement dans l’espace courbe », a déclaré Rocklin. « Nous avons appris que l’effet prédit, qui était si contre-intuitif qu’il a été rejeté par certains physiciens, s’est effectivement produit : lorsque le robot a changé de forme, il a avancé lentement autour de la sphère d’une manière qui ne pouvait être attribuée aux interactions environnementales. »
Création d’un chemin courbe
Les chercheurs ont entrepris d’étudier comment un objet se déplaçait dans un espace courbe. Pour confiner l’objet sur la sphère avec un minimum d’interaction ou d’échange d’élan avec l’environnement dans l’espace courbe, ils ont laissé un ensemble de moteurs rouler sur des pistes courbes comme des masses en mouvement. Ils ont ensuite connecté ce système de manière holistique à un arbre rotatif afin que les moteurs se déplacent toujours sur une sphère. L’arbre était soutenu par des paliers à air et des bagues pour minimiser le frottement, et l’alignement de l’arbre était ajusté avec la gravité terrestre pour minimiser la force de gravité résiduelle.
À partir de là, alors que le robot continuait à se déplacer, la gravité et la friction exerçaient de légères forces sur lui. Ces forces se sont hybridées avec les effets de courbure pour produire une dynamique étrange avec des propriétés qu’aucune ne pourrait induire par elle-même. La recherche fournit une démonstration importante de la façon dont les espaces courbes peuvent être atteints et comment cela remet fondamentalement en question les lois physiques et l’intuition conçues pour l’espace plat. Rocklin espère que les techniques expérimentales développées permettront à d’autres chercheurs d’explorer ces espaces courbes.
Applications dans l’espace et au-delà
Bien que les effets soient faibles, à mesure que la robotique devient de plus en plus précise, la compréhension de cet effet induit par la courbure peut être d’une importance pratique, tout comme le léger décalage de fréquence induit par la gravité est devenu crucial pour permettre aux systèmes GPS de transmettre avec précision leurs positions aux satellites orbitaux. En fin de compte, les principes de la façon dont la courbure d’un espace peut être exploitée pour la locomotion peuvent permettre aux engins spatiaux de naviguer dans l’espace très incurvé autour d’un trou noir.
« Cette recherche concerne également l’étude ‘Impossible Engine' », a déclaré Rocklin. « Son créateur a affirmé qu’il pouvait avancer sans aucun propulseur. Ce moteur était en effet impossible, mais comme l’espace-temps est très légèrement incurvé, un appareil pouvait en fait avancer sans aucune force externe ni émettre de propulseur – une nouvelle découverte. »
Shengkai Li et al, Nage robotique dans un espace courbe via une phase géométrique, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2200924119