Défiant la gravité : les scientifiques résolvent le mystère de la lévitation magnétique au-delà de la physique classique.

Patrick Lesggie

En 2021, le scientifique turc Hamdi Ucar a découvert une nouvelle forme de lévitation magnétique, où un aimant en rotation rapide provoquait la lévitation d’un aimant voisin. Ce phénomène, qui défiait la physique classique, a été reproduit et étudié par le professeur Rasmus Bjørk et son équipe. Ils ont découvert que l’aimant en lévitation s’aligne avec l’aimant en rotation, créant un équilibre semblable à une toupie.

Des scientifiques de l’Université technique du Danemark (DTU) ont confirmé la physique sous-jacente d’un phénomène nouvellement découvert de lévitation magnétique.

En 2021, un scientifique turc a publié un article détaillant une expérience où un aimant était attaché à un moteur, le faisant tourner rapidement. Lorsque cette configuration a été placée près d’un deuxième aimant, ce dernier a commencé à tourner et s’est soudainement suspendu en position fixe à quelques centimètres de distance.

Si la lévitation magnétique n’est pas nouvelle – l’exemple le plus connu étant probablement les trains à sustentation magnétique qui reposent sur une force magnétique puissante pour la levée et la propulsion – l’expérience a intrigué les physiciens car ce phénomène n’était pas décrit par la physique classique, ou du moins par l’un des mécanismes connus de lévitation magnétique.

Lévitation magnétique démontrée en utilisant un outil Dremel faisant tourner un aimant à 266 Hz. L’aimant du rotor mesure 7x7x7 mm3 et l’aimant flottant mesure 6x6x6 mm3. Cette vidéo montre la physique décrite dans la recherche. Crédit : DTU.

C’est maintenant chose faite. Rasmus Bjørk, professeur à DTU Énergie, a été intrigué par l’expérience de Ucar et a entrepris de la reproduire avec l’étudiant en MSc Joachim M. Hermansen tout en essayant de comprendre exactement ce qui se passait. La reproduction était facile et pouvait être réalisée en utilisant des composants prêts à l’emploi, mais sa physique était étrange, explique Rasmus Bjørk :

« Les aimants ne devraient pas flotter lorsqu’ils sont proches l’un de l’autre. En général, ils vont soit s’attirer, soit se repousser mutuellement. Mais si vous faites tourner l’un des aimants, vous pouvez obtenir cette lévitation. Et c’est là que réside l’étrangeté. La force affectant les aimants ne devrait pas changer simplement parce que vous faites tourner l’un d’entre eux, il semble donc qu’il y ait un couplage entre le mouvement et la force magnétique », dit-il.

Les résultats ont récemment été publiés dans la revue Physics Review Applied.

Plusieurs expériences pour confirmer la physique

Les expériences ont impliqué plusieurs aimants de tailles différentes, mais le principe est resté le même : en faisant tourner très rapidement un aimant, les chercheurs ont observé comment un autre aimant à proximité, surnommé « aimants flottants », a commencé à tourner à la même vitesse tout en se verrouillant rapidement dans une position où il est resté en lévitation.

Il s’est avéré que, lorsque l’aimant flottant se verrouillait en position, il était orienté près de l’axe de rotation et vers le pôle similaire de l’aimant du rotor. Par exemple, le pôle nord de l’aimant flottant, lorsqu’il tournait, restait tourné vers le pôle nord de l’aimant fixe.

Cela diffère de ce qui était attendu selon les lois de la magnétostatique, qui expliquent le fonctionnement d’un système magnétique statique. Il s’avère cependant que les interactions magnétostatiques entre les aimants en rotation sont exactement responsables de la création de la position d’équilibre du flotteur, comme l’a découvert le co-auteur de l’étude, l’étudiant en doctorat Frederik L. Durhuus, en utilisant des simulations du phénomène. Ils ont observé un impact significatif de la taille de l’aimant sur la dynamique de lévitation : les aimants plus petits nécessitaient des vitesses de rotation plus élevées pour léviter en raison de leur plus grande inertie et plus ils lévitaient.

« Il s’avère que l’aimant flottant veut s’aligner avec l’aimant en rotation, mais il ne peut pas tourner assez vite pour le faire. Tant que ce couplage est maintenu, il lévitera », explique Rasmus Bjørk, et poursuit :

« Vous pourriez le comparer à une toupie. Elle ne se tiendra pas tant qu’elle ne tourne pas mais est verrouillée en position par sa rotation. Ce n’est que lorsque la rotation perd de l’énergie que la force de gravité – ou dans notre cas la poussée et la traction des aimants – devient suffisamment grande pour surmonter l’équilibre. »

Référence : « Magnetic levitation by rotation » par Joachim Marco Hermansen, Frederik Laust Durhuus, Cathrine Frandsen, Marco Beleggia, Christian R.H. Bahl et Rasmus Bjørk, 13 octobre 2023, Physical Review Applied. DOI : 10.1103/PhysRevApplied.20.044036