Pourquoi le plus petit paraît plus lourd, à poids égal ?
― Le cerveau anticipe le poids avant même de soulever
Sur la balance, c'est pareil : un kilo. Et pourtant, la petite boîte semble bien plus lourde. Ce n'est pas une impression. Cette illusion est connue depuis plus de 130 ans, et elle ne disparaît pas même quand on sait que les poids sont identiques. Notre perception du poids ne fonctionne pas comme une balance : elle compare ce qu'on ressent à ce qu'on avait prévu.
Vous attrapez la bouteille de deux litres du réfrigérateur, comme d'habitude, et vous la soulevez. Mais elle est presque vide. Votre bras sursaute, et la bouteille manque de vous heurter la tête.
Jour de déménagement. Il y a un petit carton plein de livres, et un grand carton plein de couettes. Au moment de soulever le petit carton de livres, vous poussez un « han ! » de surprise. Pourtant, le grand carton avait l'air plus lourd.
Dans les deux cas, ce n'est pas un manque de force. Avant même de soulever, le cerveau avait déjà décidé « ça doit peser à peu près ça » et préparé la force en conséquence.
Ce qui déforme la perception du poids : seulement deux raisons
La force musculaire ne se met pas en place instantanément. Le cerveau anticipe donc le poids à partir de la taille apparente ou de souvenirs, et prépare la force à l'avance. Si la prévision est fausse, le bras sursaute ou l'objet ne se soulève pas.
Un objet volumineux paraît lourd. Si en réalité il est plus léger que prévu, on le ressent encore plus léger que sa vraie masse. Pour un petit objet, c'est l'inverse : « plus lourd que prévu » s'ajoute, et on le ressent encore plus lourd.
Le premier point concerne « la façon de bouger le corps », le second « la façon de ressentir ». Les deux partent de la même prévision, mais, comme on va le voir, ils empruntent ensuite des chemins séparés.
Le cerveau prépare la force avant de soulever
Quand on soulève un objet à la main, il faut du temps entre le signal « produis une force » envoyé aux muscles et la force effectivement produite. Si l'on ajustait la force seulement après avoir senti le poids à la main, l'objet aurait le temps de tomber ou le bras de vaciller pendant ce délai.
Le cerveau anticipe donc. La taille vue à l'œil, l'aspect du matériau, le souvenir de la dernière fois qu'on a porté l'objet : à partir de tout cela, il prévoit le poids et prépare la force nécessaire avant même de soulever. En temps normal, la prévision est juste, donc on ne remarque pas cette préparation.
On la remarque quand la prévision est fausse. Si l'on soulève une bouteille vide en croyant qu'elle est pleine, la force préparée est trop grande. Regardez la figure 1. Pendant les environ 0,1 seconde qu'il faut au cerveau pour détecter « c'est trop léger » et freiner, la main monte bien plus haut que prévu. Le calcul montre un écart de plusieurs centimètres, pouvant atteindre près de 10 centimètres (on le vérifie dans le dernier volet dépliable).
On ressent le poids comme un « écart avec la prévision »
Alors, pourquoi deux boîtes de même poids, un kilo, paraissent-elles différentes selon leur taille ? Regardez la figure 2. Devant une grande boîte, le cerveau prévoit « ça doit être lourd ». Mais en la soulevant, ce n'est pas si lourd que prévu. Ce « plus léger que prévu » abaisse la sensation de poids en dessous du réel.
Pour la petite boîte, c'est l'inverse. On avait prévu « ça a l'air léger », mais en la soulevant, c'est lourd. Ce « plus lourd que prévu » s'ajoute et fait ressentir un poids supérieur au réel. C'est le médecin français Charpentier qui, en 1891, aurait démontré clairement cette illusion par l'expérience.
Ce qui est étonnant, c'est ce qui suit. En soulevant plusieurs fois les deux mêmes boîtes, la force exercée par les doigts et le bras se corrige vite. En quelques essais, on applique la même force à la grande boîte et à la petite boîte. Le corps a donc appris qu'« elles pèsent pareil ».
Et pourtant, la sensation « la petite est plus lourde » ne disparaît pas. On rapporte qu'elle persiste même quand la balance a montré qu'elles sont identiques. Le mécanisme qui produit la force et celui qui ressent le poids partiraient donc de la même prévision, mais fonctionneraient ensuite séparément.
On rapporte que cette illusion se produit même sans regarder, en vérifiant seulement la taille au toucher. On dit aussi qu'un objet qui a l'air « lourd », comme du métal, paraît plus léger qu'un objet de même poids qui a l'air d'être en bois. Dans tous les cas, c'est le « plus/moins que prévu » qui fait office de règle de mesure.
Se fier à l'apparence pour juger le poids peut faire subir au dos et au bras une charge inattendue avec un colis petit mais lourd. Avant de soulever, il est conseillé, même dans le métier du transport, de pousser légèrement ou de basculer l'objet pour évaluer son poids. Répartir des livres dans plusieurs petits cartons lors d'un déménagement est une astuce pour éviter des charges trop lourdes.
En résumé
Avant de soulever un objet, nous prévoyons son poids à partir de son aspect et de nos souvenirs, et préparons la force en conséquence. Si la prévision est fausse, le bras sursaute ou l'on ressent un poids différent du réel. Et alors que l'ajustement de la force se corrige en quelques essais, l'illusion de perception persiste.
La main n'est pas une balance.
On ressent le poids « par rapport à ce qu'on avait prévu ».
Pourquoi porter une charge de même poids éloignée du corps devient soudain pénible est expliqué dans « Pourquoi porter une charge de même poids devient soudain pénible quand on l'éloigne du corps ? », et pourquoi le cerveau compare les informations des yeux et des oreilles est expliqué dans « Pourquoi a-t-on le mal des transports ? ».
- Préparez un petit sac plastique et un grand sac de courses, et mettez dans chacun le même nombre de pièces ou la même quantité de riz. Égalisez le poids avec une balance de cuisine.
- Demandez à quelqu'un de votre famille de soulever chaque sac par sa poignée et demandez-lui : « Lequel est le plus lourd ? » L'astuce est d'ouvrir bien le grand sac pour qu'il ait l'air gonflé.
- Après avoir montré sur la balance que c'est identique, faites-le soulever à nouveau. Vérifiez s'il ressent quand même que « le petit est plus lourd, même en le sachant ».
En plaçant une bouteille vide à côté d'une bouteille pleine et en la faisant tenir à quelqu'un les yeux fermés, on peut aussi expérimenter le sursaut du bras. Faites attention à l'entourage et évitez de manipuler des objets pleins près du visage.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège aux matières spécialisées universitaires, le niveau de chaque partie est indiqué
- Collègeprogramme de sciences du collège
- Lycéeprogramme de « physique de base » et de biologie du lycée
- Lycée+contenu avancé du lycée, ou encadré des manuels
- Universiténon enseigné au lycée, matière universitaire spécialisée (neurosciences, contrôle moteur, psychologie de la perception)
- Recherchesujet non encore établi comme « acquis » même à l'université, encore étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Illusion taille-poids (illusion de Charpentier) : illusion selon laquelle, à poids égal, le plus petit objet paraît plus lourd. Charpentier l'aurait démontrée par l'expérience en 1891.
- Nerfs sensoriels et nerfs moteurs : les nerfs sensoriels transportent les informations de la peau et des muscles vers le cerveau, les nerfs moteurs transportent les ordres du cerveau vers les muscles. Dans les deux cas, la transmission du signal prend du temps.
- Prédiction (contrôle anticipé) : méthode qui consiste à préparer la force nécessaire à l'avance, plutôt que de corriger après avoir ressenti le résultat.
CollègeLycéeVérification par le calcul : de combien le bras bondit-il avec une bouteille vide ?
Supposons qu'on applique à une bouteille de deux litres presque vide la force préparée pour « soulever lentement » une bouteille pleine. On estime, à l'aide des lois du mouvement, l'accélération avec laquelle la main et la bouteille montent.
| En notation | F ＝ ( M ＋ m ) × ( g ＋ a ) |
| En mots | Force produite par le bras ＝ (masse de l'avant-bras et de la main ＋ masse de l'objet porté) × (accélération de la gravité ＋ accélération vers le haut) |
| Origine de la formule | Deuxième loi du mouvement de Newton (force ＝ masse × accélération). La force pour soulever est la somme de ce qu'il faut pour s'opposer à la gravité et de ce qu'il faut pour accélérer vers le haut. En résolvant cette équation avec la masse prévue pour préparer la force, puis en l'appliquant à la masse réelle, on obtient l'accélération du sursaut. |
| Symbole | Signification et unité |
|---|---|
| F | Force vers le haut produite par le bras (muscles fléchisseurs du coude). Unité : newton |
| M | Masse de l'avant-bras et de la main. Unité : kilogramme |
| m | Masse de l'objet porté. Unité : kilogramme |
| g | Accélération de la gravité. Environ 9,8 mètres par seconde carrée |
| a | Accélération vers le haut. Unité : mètre par seconde carrée |
| Masse de l'avant-bras et de la main (estimation pour une personne de 60 kg) | environ 1,3 kg |
| Bouteille de 2 litres pleine | environ 2,0 kg |
| Bouteille de 2 litres presque vide | environ 0,05 kg |
| Accélération lente prévue vers le haut | 1 mètre par seconde carrée (hypothèse) |
| Temps avant que le cerveau détecte et freine | environ 0,1 seconde |
| Masse totale prévue à déplacer | 1,3 ＋ 2,0 ＝ 3,3 kg |
| « Gravité ＋ accélération » prévue | 9,8 ＋ 1 ＝ 10,8 |
| Force préparée | 3,3 × 10,8 ＝ 35,64 newtons |
| Masse réellement déplacée | 1,3 ＋ 0,05 ＝ 1,35 kg |
| « Gravité ＋ accélération » produite par cette force | 35,64 ÷ 1,35 ＝ 26,4 |
| Accélération réelle vers le haut, gravité soustraite | 26,4 − 9,8 ＝ 16,6 mètres par seconde carrée |
| Comparée à l'accélération prévue | 16,6 ÷ 1 ＝ 16,6 fois |
| Carré du temps avant freinage | 0,1 × 0,1 ＝ 0,01 |
| Accélération × carré du temps | 16,6 × 0,01 ＝ 0,166 |
| La moitié donne la hauteur atteinte en 0,1 s | 0,166 ÷ 2 ＝ 0,083 mètre |
Avec un élan plus de 16 fois supérieur au prévu, la main monte d'environ 8 centimètres avant que le freinage ait le temps d'agir. Si la bouteille avait vraiment été pleine, elle serait montée d'environ 0,5 centimètre dans le même temps de 0,1 seconde. En réalité, les réflexes musculaires agissent un peu plus tôt, donc ceci est plutôt « une estimation proche du maximum ». Cela correspond cependant bien à l'intensité de la sensation de sursaut du bras.
LycéeLycée+Les « capteurs de poids » du corps
LycéeLes indices pour ressentir le poids ne viennent pas seulement de la peau. Dans les muscles se trouvent des fuseaux neuromusculaires, qui mesurent l'étirement, et dans les tendons reliant muscles et os se trouvent des organes tendineux (organes tendineux de Golgi), qui mesurent la force de traction. Le schéma « récepteur → nerf sensoriel → système nerveux central → nerf moteur → effecteur », vu en biologie au lycée, tourne à plusieurs reprises pendant le geste de soulever.
Lycée+Mais faire un tour complet de ce circuit prend du temps. La vitesse de transmission du signal nerveux est limitée, et le traitement par le cerveau prend aussi du temps. Se contenter de corriger après avoir ressenti ne suffirait donc pas pour des gestes rapides. On pense que le cerveau se fait d'abord une idée de « quelle force produire pour ressentir quoi », et ne corrige qu'à partir de l'écart avec la sensation réelle.
UniversitéModèle interne, et la « bifurcation » entre force et perception
Dans le domaine du contrôle moteur, on appelle modèle interne l'estimation, dans le cerveau, de la manière dont le corps et les objets se comportent. L'utiliser pour déterminer la force à l'avance s'appelle le contrôle en boucle ouverte (feedforward), et corriger en observant le résultat s'appelle le contrôle en boucle fermée (feedback). L'illusion de poids a été expliquée comme un mélange de cette erreur de prédiction (erreur de prédiction) avec la perception.
Flanagan et Beltzner ont, dans une étude de 2000, fait soulever de manière répétée des objets grands et petits de même poids. La force de préhension (force des doigts) et la force de levage se sont ajustées au poids réel en quelques essais, mais l'illusion taille-poids a persisté jusqu'au bout. Ce résultat est souvent cité comme preuve que « la prédiction pour produire la force » et « la prédiction pour ressentir le poids » fonctionnent séparément.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : l'article de Flanagan et Beltzner (2000, en anglais) ／ l'explication de l'illusion taille-poids (Wikipédia anglais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Pourquoi le décalage va-t-il « à l'inverse de la prévision » ? Si le cerveau mélangeait bien prévision et sensation, un objet volumineux devrait paraître « plus lourd ». Or c'est l'inverse, donc une simple addition de prévisions ne suffit pas à l'expliquer. Plusieurs hypothèses sur le calcul en jeu s'affrontent encore.
- Sur quoi se base la sensation de « poids » ? La force musculaire elle-même, l'intensité de la commande du cerveau, ou la vitesse de levage ? On ne sait pas encore quel indice joue le rôle principal.
- Pourquoi l'illusion ne disparaît-elle pas avec l'apprentissage ? Alors que la force s'ajuste vite, on rapporte que la perception persiste même après des centaines de levages. Certaines études rapportent que seule la perception change, sur de longues durées, et ce mécanisme est encore à l'étude.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète « l'état actuel des connaissances ». Que l'illusion se produise est certain, mais la façon dont le cerveau la calcule reste un sujet de recherche en cours.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences 4e « stimulus et réaction », sciences 3e « force et mouvement » | Nerfs sensoriels et moteurs, force et poids |
| Lycée | Physique de base « lois du mouvement », biologie « réactions et comportements animaux » | Calcul du sursaut, fuseaux neuromusculaires et récepteurs tendineux |
| Lycée+ | Biologie (approfondissement) | Délai de transmission et contrôle anticipé |
| Université | Neurosciences, contrôle moteur, psychologie de la perception | Modèle interne, erreur de prédiction, expérience de Flanagan et Beltzner |
| Recherche | Neurosciences computationnelles | Pourquoi le décalage est inverse à la prévision, indices du poids |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Bouteille vide, cartons de déménagement, comment tester un colis inconnu avant de le soulever |
- Flanagan, J. R., & Beltzner, M. A. (2000). Independence of perceptual and sensorimotor predictions in the size–weight illusion. Nature Neuroscience, 3, 737–741.
- Charpentier, A. (1891). Analyse expérimentale de quelques éléments de la sensation de poids. Archives de Physiologie Normale et Pathologique, 3, 122–135.
- Buckingham, G. (2014). Getting a grip on heaviness perception: a review of weight illusions and their probable causes. Experimental Brain Research, 232, 1623–1629.
- Wolpert, D. M., & Flanagan, J. R. (2001). Motor prediction. Current Biology, 11, R729–R732.
- Wikipédia « Size–weight illusion »
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des estimations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. La masse des différentes parties du corps et les temps de réaction varient selon les personnes.