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Compaction maximale d’une assemblée d’aimants sur un plan : qui sautera le premier ?

Image montrant l’expulsion d’un aimant
Communiqué de presse / Publication
Résumé

Publication du Laboratoire de physique à l'ENS de Lyon dans la revue Physical Review Letters du 29 juin 2018.

Les chercheurs ont analysé l’origine de la densité maximale d’aimants sur un plan avant leur éjection spectaculaire hors du plan – un phénomène récemment popularisé par le jeu Magination.

Description

Un réseau d’aimants posés sur un plan horizontal et aimantés alternativement vers le haut et vers le bas s’attirent tous mutuellement et conduisent à un réseau compact où chaque aimant est en contact avec son voisin. À l’opposé, lorsque l’aimantation est dans la même direction, ils ne peuvent supporter qu’une densité maximum avant de sauter spectaculairement hors du plan. Cet effet insolite a été récemment popularisé par le jeu Magination (et les vidéos associées) et a par ailleurs été l’un des sujets proposés à l’International Physicists’ Tournament, un concours international où des équipes d’étudiants s’affrontent sur des problèmes ouverts de la physique.

Des chercheurs du Laboratoire de Physique à l’ENS de Lyon (CNRS/ENS de Lyon/UCBL Lyon1) ayant encadré les travaux de l’équipe lyonnaise de l’IPT, ont montré que l’origine de ce phénomène réside dans les irrégularités du support – ou la présence de poussières – conduisant à un faible désalignement des aimants. Les interactions répulsives rendent alors la disposition instable lorsque la distance entre aimants est suffisamment faible. L’équipe lyonnaise a montré que la force déstabilisante liée à la différence d’altitude entre deux aimants domine le couple déstabilisant lié à leur différence d’inclinaison grâce à une étude systématique utilisant une grande variété d’aimants cylindriques. L’équipe a utilisé plusieurs protocoles expérimentaux pour atteindre la densité limite prédite théoriquement.

Cette étude a permis de mettre en évidence les meilleures stratégies pour atteindre les densités maximales et apporte un éclairage nouveau pour le développement d’expériences analogues macroscopiques utilisant des aimants pour simuler des mécanismes allant de la physique des systèmes frustrés à la dynamique non-linéaire des ondes dans les cristaux. L’équipe s’intéresse maintenant à la dynamique des ondes de déplacement des aimants en présence d’une perturbation magnétique : la densité maximum peut être atteinte localement suite à ces déplacements, conduisant à l’expulsion spectaculaire du maillon faible.

Séquence d’images montrant l’expulsion d’un aimant
Séquence d’images montrant l’expulsion d’un aimant (matérialisé en rouge sur les images) lorsque la densité locale excède une densité critique. L’aimant expulsé conduit attire alors les aimants de son entourage et à la destruction du réseau.

Source :  Stability Analysis of an Array of Magnets: When Will It Jump? Nicolas Taberlet, Jérémy Ferrand & Nicolas Plihon. Phys. Rev. Lett. 120, 264301 – 29 Juin 2018

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