weightless #5 : se mouvoir en apesanteur

Ce billet s'appuie sur la vidéo suivante, cinquième épisode de la série « Weightless », consacrée au traitement de l'apesanteur dans les films de science-fiction :

Cliquer pour accéder à la vidéo (HD1080p), en accès libre et gratuit (je recommande de télécharger la vidéo plutôt que de la visionner en streaming).

Après le mouvement des objets en apesanteur, nous allons maintenant nous intéresser à celui des personnes, aux stratégies envisagées pour se diriger, se déplacer. Le problème semble élémentaire : pour aller du point A au point B, il suffit de s'élancer du point A en direction du point B, et d'attendre que le mouvement rectiligne qui s'ensuit nous amène au point B. C'est effectivement une possibilité, que l'on peut voir mise en scène dans la magnifique scène d'ouverture d' « Avatar ». Elle est aussi exploitée dans « 2001, l'Odyssée de l'espace », où l'on peut voir Dave Bowman s'élancer de son module spatial, arrêté à une centaine de mètres du vaisseau principal dont il veut réparer une antenne. On se demande pourquoi il s'est arrêté si loin, la situation est presque suicidaire : une fois élancé, il n'a plus aucun moyen de modifier sa direction et s'il a commis la moindre erreur de visée, il risque tout simplement de rater son objectif, le dépasser, et errer à tout jamais comme un nouvel objet astronomique appartenant au Système solaire. La scène est d'autant moins crédible que Bowman s'élance tête baissée, sans aucune visibilité sur son objectif ! Cette invraisemblance avait déjà été commise dans « Conquest of Space », où des personnages s'élançaient d'un vaisseau pour atteindre une station orbitale (avec aucune chance d'y arriver, au vu de la manière dont ils s'élancent).

Les astronautes prévoyants peuvent toutefois se diriger en apesanteur et suivre des trajectoires plus compliquées que la ligne droite, en utilisant le principe de la propulsion à réaction. Lorsqu'une personne lance un objet, ou tire au fusil, ou actionne un extincteur, elle subit un recul qui lui communique une vitesse dans la direction opposée à ce qui a été lancé. Ceci est expliqué dans la scène d'animation de « Destination Moon » que nous avons déjà abordée, au cours de laquelle Woody Woodpecker explique le principe de la propulsion par réaction. Plus loin dans le film, cet effet est utilisé lorsqu'un des personnages se dirige à l'aide du jet issu d'une bonbonne d'oxygène. L'idée est reprise dans « Wall-E », dans une superbe scène où, propulsé par un extincteur, le robot exécute avec sa camarade une belle parade spatiale... La propulsion par extincteur, involontaire cette fois, est aussi montrée dans « Red Planet » et dans « Gravity ».

De façon plus sérieuse, le principe de la propulsion par réaction est effectivement utilisé par les astronautes en sortie extra-véhiculaire et nous avons tous en tête ces images d'astronautes se dirigeant à l'aide d'un siège équipé de jets contrôlables. On peut les voir dans « Space Cowboys », dans « Mission to Mars » ou dans « Gravity ». Malgré le réalisme visuel de ces scènes, le mouvement suivi par les personnages sont rarement en accord avec la direction des jets de gaz que l'on voit s'échapper de leur engin. Remarquons une application originale de la propulsion par réaction : dans « Total Recall » (2012), on peut voir un personnage en apesanteur utiliser le recul d'un fusil mitrailleur pour se propulser vers l'arrière. On peut même étudier cette scène de façon quantitative : le type de fusil utilisé tire des balles dont la masse m vaut environ 4 grammes, à une vitesse v proche de 1000 m/s. La physique nous indique que de la quantité de mouvement (définie comme le produit de la masse par la vitesse) est conservée lors d'un tir, c'est-à-dire que la vitesse V du personnage après le tir d'une balle est reliée aux autres paramètres par

MV = mv

où M désigne la masse du personnage, que je considère ici égale à 80 kg. On en déduit une valeur numérique pour V de l'ordre de 5 cm/s. Si le fusil tire une salve de 10 coups, la vitesse acquise par recul est donc de l'ordre de 50 cm/s, ce qui correspond, en gros, à ce qui est montré dans le film ! (voir aussi ce billet de blog)

Ce moyen de locomotion (la propulsion par réaction en général, pas le tir de fusil mitrailleur...) est bien adapté aux sorties extra-véhiculaires, mais ne convient pas du tout pour des déplacements à l'intérieur d'une cabine, d'un vaisseau. Dans ces situations, quelques films représentent des mouvements très réalistes, les astronautes en apesanteur utilisant beaucoup leurs mains, leurs bras, pour se diriger, progressant le long de poignées auxquelles ils s'agrippent. C'est notamment le cas dans « Avatar » ou même, agréable surprise, dans « The Black Hole ». Toutefois, la plupart des réalisateurs préfèrent recourir à des solutions moins coûteuses en effets spéciaux, en nous donnant une raison de croire que les personnages peuvent marcher de façon naturelle, comme ils le feraient sur Terre. Dans un épisode précédent, j'ai déjà abordé  l'utilisation de centrifugeuses pour créer une « gravité artificielle », et je vais maintenant m'intéresser à une autre proposition : les bottes magnétiques. Elles sont introduites dans « Destination Moon », puis on les voit utilisées dans de nombreux films ultérieurs. Dans « Project Moonbase », par exemple, l'idée est prise très au sérieux et poussée à son comble : on y voit une réunion dans une salle dont les chaises sont posées deux murs adjacents (ce qui apparaît visuellement au « sol » et au « mur »). Stanley Kubrick ne goûtait probablement pas l'esthétique des bottes magnétiques et a préféré équiper l'hôtesse de l'espace de la première scène spatiale de « 2001, l'Odyssée de l'espace » de « grip shoes », des chaussures adhésives. Enfin, la série TV « Defying Gravity » propose une solution moderne et intéressante : des nanoparticules incluses dans les vêtements des astronautes interagissent avec un champ magnétique produit par le sol et y attire les personnages. Remarquons que la solution effectivement utilisée dans la station spatiale internationale est celle pressentie dans « Frau im Mond » (1929) : des sangles fixées aux parois, dans lesquelles les astronautes peuvent passer les pieds.

Enfin, une solution intéressante est proposée dans « Planet 51 », où on peut voir un robot nager dans l'air, en utilisant un panneau solaire comme nageoire caudale mécanique ! L'idée est est excellente, en toute rigueur on peut effectivement nager dans l'air, mais l'efficacité d'une nageoire serait beaucoup plus faible dans l'air qu'elle ne l'est dans l'eau et cette solution n'est pas utilisable, en pratique, par un astronaute.

Pour terminer, je voudrais signaler un effet très étonnant : en apesanteur, il est aussi possible de nager dans le vide ! Il ne s'agit pas alors de s'appuyer sur l'air, mais d'utiliser de façon intelligente la courbure de l'espace-temps. C'est un effet subtil que l'on peut décrire dans le cadre de la relativité générale et j'invite le lecteur intéressé à chercher le terme « gravidyne », ou à consulter cet article. Cependant, en pratique, cet effet est extrêmement faible et ne permettrait pas un un astronaute de revenir à sa capsule s'il venait à en être éjecté.

Liste des films présentés

• Frau im Mond / Fritz Lang / 1929
• Destination Moon / Irvin Pichel / 1950
• Project Moonbase / Richard Talmadge / 1953
• Conquest of Space / Byron Haskin / 1955
• 2001, l'Odyssée de l'espace / Stanley Kubrick / 1968
• The Green Slime / Kinji Fukasaku / 1968
• Journey to the Far Side of the Sun / Robert Parrish / 1969
• The Black Hole / Gary Nelson / 1979
• Moonraker / Lewis Gilbert / 1979
• Star Trek VI: The Undiscovered Country / Nicholas Meyer / 1997
• Space Cowboys / Clint Eastwood / 2000
• Red Planet / Antony Hoffman / 2000
• Wall-E / Andrew Stanton / 2008
• Avatar / James Cameron / 2009
• Planet 51 / Jorge Blanco / 2009
• Total Recall / Len Wiseman / 2012
• Gravity / Alfonso Cuarón / 2013

Prochain épisode : Les erreurs inclassables.