Apparu en 2017, le hand spinner ou toupie à main est déjà démodé. L’éducation nationale, toujours prompte à adopter les nouveautés dépassées, en a fait un sujet de l’épreuve de maths du Brevet 2018 (ce qui a peut-être déterminé son obsolescence). J’en ai acheté un. Le hand spinner est réputé déstressant et en effet, quand mon ordinateur affiche un petit sablier qui me condamne à l’inaction, je fais tourner mon jouet. Ça fait passer le temps sans énervement. Ou, si un mot me manque, ou une idée, ce qui bizarrement m’arrive de plus en plus souvent, je lance mon spinner et pendant un moment, j’oublie la cruauté de l’âge.
Nos chers adolescents qui tiennent la toupie entre le pouce et l’index, n’imaginent pas le trésor qu’ils ont entre les doigts. Les légères vibrations qu’ils ressentent, dues aux microrugosités des bandes de roulement du roulement à billes central et à l’imperfection de l’équilibrage, sont sensuelles, douces et caressantes. L’immédiateté stressante s’envole quelques secondes. On oublie ses voisins boutonneux, la planète qui meurt, la question du prof, ce qu’on va manger à la cantine et qu’il n’y a rien à la télé ce soir. On oublie même qu’on a un téléphone dans sa poche.
Mais le hand spinner a aussi ses secrets, une physique complexe qu’on n’aborde pas en troisième. Lançons la toupie. Si on change légèrement son orientation on sent une résistance. C’est l’effet gyroscopique. Le solide en rotation s’oppose à tous changements de direction. Cette propriété est utilisée pour guider les navires, les missiles et même le télescope spatial Hubble.
Regardons le tourner, à grande vitesse on ne voit plus que des cercles lumineux. Les masselottes restent invisibles, effet de la permanence rétinienne (ou de l’incapacité du cerveau à isoler plus d’une vingtaine d’images par seconde, on ne sait). On peut s’amuser à cligner des yeux rapidement, pour voir les masselottes comme dans un film en image par image.
On peut faire mieux. Observons la toupie lancée à grande vitesse sous une lumière électrique. Les masselottes semblent tourner lentement dans un sens puis dans l’autre et ainsi plusieurs fois, alors que la vitesse de rotation diminue. L’effet s’arrête quand on distingue les masselottes séparément donc à partir de 25 images par seconde soit, puisqu’il y a 3 masselottes, à environ 8 tours par seconde ou encore 480 tours par minute.
Pourquoi la toupie semble-elle tourner dans un sens puis dans l’autre sous la lumière électrique ? C’est ce qu’on appelle l’effet stroboscopique. La lumière s’allume et s’éteint 50 fois par seconde (courant alternatif à 50 Hz). Les masselottes sont éclairées au même rythme. S’il n’y avait qu’une seule masselotte tournant à 50 tours par seconde elle serait éclairée une fois par tour et semblerait immobile. Comme il y en a trois c’est en réalité 50/3= 16,66 tours par seconde (1 000 tours/minute).
Si la toupie tourne plus vite elle semble tourner en marche arrière. Quand elle atteint la fréquence électrique (synchronisation) elle s’arrête puis, quand la vitesse diminue encore, elle paraît tourner en marche avant. Le phénomène se reproduit quand les masselottes sont éclairées deux fois par tour, puis trois fois par tours, etc. Jusqu’à ce qu’on voie les masselottes individuellement. Si on a lancé la toupie très vite les masselottes peuvent être éclairées une fois tous les 2, 3, 4… tours, le phénomène est le même. Il suffit de compter combien de fois la toupie semble avoir changé de sens de rotation, pour savoir à quelle vitesse elle a été lancée. Par exemple, si ma toupie a changé de sens apparent de rotation 4 fois, c’est qu’elle a été lancée à plus de 3000 tours par minute (synchronisation à 3 000 ; 2 000 ; 1 000 et 500 t/min en tenant compte de l’effet de permanence rétinienne qui disparaît entre 500 et 300 t/min).
Les anciens se souviendront des westerns d’autrefois ou l’on voyait les roues des chariots, lancés à pleine vitesse pour fuir les indiens, tourner en sens inverse. Le phénomène est à peu près le même, il ne dépend plus de la lumière mais de la vitesse de prise de vue.