Pourquoi a-t-on la tête qui tourne même après s'être arrêté de tourner ?
― Le liquide au fond de l'oreille continue de pousser une « porte »
Le corps est déjà immobile, mais c'est la pièce qui semble tourner. Ce n'est pas une impression. Dans un fin canal au fond de l'oreille, un liquide continue de bouger un peu après l'arrêt, et pousse sans relâche le capteur qui signale la rotation. Pire : pendant qu'on tournait, le corps s'était déjà « habitué » à ce mouvement.
Enfant, vous est-il déjà arrivé de tourner sur vous-même dans un parc, les bras écartés ? Ou bien quelqu'un vous a fait tourner sur une chaise pivotante.
Pendant qu'on tourne, ça ne gêne pas vraiment. Mais à l'instant où l'on s'arrête, le paysage se met à défiler dans l'autre sens. On essaie de se tenir droit, mais le corps penche tout seul.
C'est pourtant soi-même qui s'est arrêté : alors pourquoi le monde se met-il à tourner ? Et pourquoi dans l'autre sens ?
Deux raisons, pas plus
C'est un fin canal rempli de liquide, au fond de l'oreille, qui perçoit la rotation. Quand la tête s'arrête, le liquide à l'intérieur continue d'avancer un peu par élan, et pousse la « porte » du capteur. Cette porte ne revient à sa place que lentement.
Si l'on continue à tourner à vitesse constante, la porte revient peu à peu à sa position, et le cerveau commence à penser qu'« on ne tourne plus ». Quand on s'arrête brusquement, la porte est alors poussée dans l'autre sens. C'est pour cela qu'on a l'impression de tourner à l'envers alors qu'on est arrêté.
Ce capteur de rotation, habituellement fiable, donne un signal contradictoire seulement dans ce cas précis d'un arrêt brusque, à cause de ce retard et de cette habituation. Voyons cela en détail.
Trois anneaux remplis de liquide, au fond de l'oreille
Tout au fond du conduit auditif, dans l'os du crâne, se trouve un minuscule organe, pas plus grand que le bout du petit doigt. Trois fins tubes en demi-cercle en partent, formés ensemble ce qu'on appelle les « canaux semi-circulaires ». Les trois sont orientés à angle droit les uns par rapport aux autres. Ainsi, qu'on hoche la tête, qu'on la penche de côté ou qu'on se retourne, l'un des anneaux capte toujours la rotation.
L'intérieur des canaux est rempli de liquide. Au milieu de chaque canal se dresse une « porte », une membrane souple comme de la gelée, qui obstrue le passage. À sa base s'alignent des cellules sensorielles munies de poils. Quand la porte s'incline, les poils se courbent, et ce signal informe le cerveau : « on tourne, dans telle direction ».
Quand la tête commence à tourner, le canal bouge avec elle. Mais le liquide à l'intérieur a tendance à rester sur place. C'est ce qu'on appelle l'« inertie ». Le liquide prend donc du retard par rapport au canal et pousse la porte. Inversement, quand la tête s'arrête brusquement, le liquide continue d'avancer par élan et pousse la porte dans l'autre sens. Dans la figure 1, essayez de déplacer le curseur pour faire avancer le temps écoulé depuis l'arrêt.
Le point essentiel, c'est que la porte « ne revient pas tout de suite ». Le canal est très fin, et le liquide y bouge difficilement, comme du miel dans un tube étroit. C'est pourquoi la porte inclinée met plusieurs secondes à revenir à sa place. De plus, on pense que le cerveau prolonge légèrement le traitement de ce signal. Résultat : la sensation de rotation s'estompe sur plusieurs dizaines de secondes, comme sur la figure 1.
Pendant la rotation, le corps s'est déjà « habitué »
L'autre raison se produit avant l'arrêt. À l'instant où la rotation commence, la porte s'incline fortement, et le cerveau comprend qu'« on a commencé à tourner ». Mais si l'on continue à tourner à vitesse constante, le liquide finit par tourner avec le canal. La porte, n'étant plus poussée, revient lentement à sa place.
En d'autres termes, tant qu'on tourne à vitesse constante, la sensation de rotation s'affaiblit peu à peu. C'est ce que montre la moitié gauche de la figure 2 : la ligne en pointillés représente la rotation réelle, le trait plein la rotation perçue par le corps. Après 20 à 30 secondes de rotation continue, bien qu'on tourne réellement, le corps commence à sentir qu'il est presque « arrêté ».
Que se passe-t-il si l'on s'arrête brusquement à cet instant ? Le liquide continue d'avancer par élan et pousse la porte dans le sens opposé à celui du début de la rotation. Le cerveau interprète cela comme « on a commencé à tourner dans l'autre sens ». C'est ce qu'on voit sur la moitié droite de la figure 2, où le trait plein descend sous zéro. Voilà pourquoi la sensation de tourner à l'envers survient alors qu'on est déjà arrêté.
Le paysage qui semble défiler s'explique par les mouvements des yeux. Le signal du capteur de rotation est aussi relié au circuit qui contrôle automatiquement les yeux. Même après l'arrêt, comme le signal indique encore qu'« on tourne », les yeux dérivent lentement dans un sens puis reviennent d'un coup, en boucle. On appelle cela le « nystagmus ». Comme les yeux bougent tout seuls, la pièce, pourtant immobile, semble défiler.
Les danseurs de ballet gardent le visage tourné vers l'avant le plus longtemps possible pendant la rotation, puis font pivoter rapidement la tête à la fin pour revenir face au public. Ainsi, les yeux continuent de fixer un point, et le paysage défile moins. On sait aussi que, chez les athlètes entraînés à répéter des rotations, le défilement visuel et la sensation de rotation après l'arrêt durent moins longtemps. On pense que le cerveau modifie sa façon de traiter le signal du capteur.
Mettez dans un verre d'eau un petit flotteur, comme une feuille de thé, puis faites tourner le verre lentement. Au début, l'eau reste presque immobile, en retard. Si l'on arrête brusquement, c'est alors l'eau seule qui continue de tourner un moment. Le liquide au fond de l'oreille fonctionne de la même façon. Sauf que le canal est si fin que le liquide s'arrête presque tout de suite, et pousse à la place la porte, en l'inclinant.
En résumé
Si la tête tourne encore après l'arrêt, c'est parce que le liquide au fond de l'oreille, par inertie, bouge avec du retard et incline la porte membraneuse qui perçoit la rotation. Cette porte ne revient que lentement, et le cerveau prolonge lui aussi le traitement du signal. De plus, comme le corps s'est habitué à la rotation pendant qu'elle durait, le signal au moment de l'arrêt est interprété comme « un début de rotation dans l'autre sens ».
Le corps s'est arrêté. Mais le liquide au fond de l'oreille n'a pas encore fini de s'arrêter.
Le vertige, c'est l'écho de la rotation laissé par l'inertie.
Le mécanisme par lequel ce décalage entre le capteur de rotation et les yeux peut donner la nausée est expliqué dans l'article sur le mal des transports. Ce qui se passe quand les yeux ne peuvent plus être utiles dans l'obscurité est traité dans l'article sur l'instabilité dans une pièce sombre, et la vraie nature du « poids » que ressent le corps dans l'article sur l'ascenseur.
- Asseyez-vous sur une chaise pivotante, fermez les yeux, et demandez à quelqu'un de vous faire tourner lentement une dizaine de fois. Faites-le dans un endroit dégagé, et arrêtez immédiatement en cas de malaise.
- Une fois arrêté, ouvrez les yeux et demandez à quelqu'un d'observer vos yeux de côté. Vous devriez voir les pupilles dériver lentement dans un sens puis revenir d'un coup.
- Faites chronométrer le temps que dure ce mouvement. Puis comparez en changeant le sens ou le nombre de tours.
Il est aussi intéressant d'observer si, en fixant un point précis des yeux pendant la rotation, le défilement visuel après l'arrêt dure moins longtemps. Faites toujours cela assis, jamais debout.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque notion est indiqué
- CollègeNotion vue en sciences au collège
- LycéeNotion vue en physique ou en biologie au lycée
- Lycée+Approfondissement de lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéNotion non vue au lycée, relevant d'une discipline universitaire (physiologie, neurosciences, biomécanique)
- RechercheSujet encore à l'étude, pas encore enseigné comme « établi », même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Canaux semi-circulaires : trois tubes en demi-cercle remplis de liquide, dans l'oreille interne. Ils captent la rotation de la tête.
- Cupule : membrane gélatineuse en forme de porte, située à la base renflée de chaque canal semi-circulaire. Son inclinaison courbe les poils des cellules sensorielles.
- Endolymphe : liquide qui remplit les canaux semi-circulaires. Par inertie, il prend du retard sur le mouvement du canal.
- Nystagmus : mouvement répété des yeux, dérive lente dans un sens puis retour rapide. Celui qui suit une rotation est de type physiologique.
CollègeLycéeVérification par le calcul : en combien de temps disparaît la sensation de rotation après l'arrêt ?
Supposons une rotation à 1 tour par seconde, suivie d'un arrêt brusque. Si l'on considère que la vitesse de rotation perçue par le corps diminue à un taux constant après l'arrêt (décroissance exponentielle), cela correspond bien aux résultats expérimentaux.
| En notation symbolique | ω ＝ ω0 × e−t／τ |
| En mots | Vitesse de rotation perçue ＝ vitesse de rotation avant l'arrêt × (décroissance selon laquelle elle devient environ 0,37 fois plus faible à chaque fois que la constante de temps τ s'écoule) |
| D'où vient cette formule | Équilibre entre la force élastique qui tend à redresser la porte inclinée et la résistance visqueuse que subit le liquide dans le fin canal. La vitesse de retour étant proportionnelle à « l'inclinaison restante », la décroissance est exponentielle |
| ω | Vitesse de rotation perçue au temps t après l'arrêt (en degrés／seconde) |
| ω0 | Vitesse de rotation juste avant l'arrêt (en degrés／seconde) |
| t | Temps écoulé depuis l'arrêt (en secondes) |
| τ | Constante de temps. Temps nécessaire pour que la sensation s'affaiblisse à environ 37% (en secondes) |
| Vitesse avant l'arrêt (1 tour par seconde) | ω0 ＝ 360 degrés／seconde |
| Constante de temps de la sensation de rotation (selon les études, de 10 à 20 secondes environ ; ici 10 secondes) | τ ＝ 10 secondes |
| Proportion restante après 10 secondes (e puissance −1) | environ 0,37 |
| Proportion restante après 30 secondes (e puissance −3) | environ 0,05 |
| Vitesse de rotation perçue après 10 secondes | 360 × 0,37 ＝ 133,2 degrés／seconde |
| Vitesse de rotation perçue après 30 secondes | 360 × 0,05 ＝ 18 degrés／seconde |
| Temps pour faire un tour complet à la vitesse après 30 secondes | 360 ÷ 18 ＝ 20 secondes |
Même 10 secondes après l'arrêt, le corps perçoit encore une rotation équivalente à un tour en un peu moins de 3 secondes. Après 30 secondes, la rotation devient si lente qu'un tour prendrait 20 secondes, et elle devient à peine perceptible. Cela correspond bien à la disparition du vertige en quelques dizaines de secondes après une chaise pivotante.
LycéeLycée+Inertie et force perçue du point de vue tournant
LycéeLe retard du liquide par rapport au canal illustre exactement le « principe d'inertie » (première loi de Newton) vu en physique au lycée. Quand la tête commence ou arrête de tourner, sa vitesse angulaire change. C'est en fonction de l'ampleur de ce changement (l'accélération angulaire) que le liquide se décale par rapport au canal. Les canaux semi-circulaires ne captent donc pas la vitesse de rotation elle-même, mais sa variation. C'est pourquoi la sensation disparaît si l'on continue à tourner à vitesse constante.
Lycée+Du point de vue de quelqu'un qui tourne avec la tête, on peut considérer qu'une « force apparente » s'exerce sur le liquide, dans le sens opposé au changement de rotation. C'est le même raisonnement qu'un corps projeté vers l'avant lors d'un freinage brutal de train. Dans les manuels de biologie, on explique que les canaux semi-circulaires captent la rotation, tandis que le vestibule voisin (les organes otolithiques) capte l'inclinaison et les accélérations linéaires.
UniversitéModèle du pendule de torsion et « stockage de vitesse »
Le mouvement du liquide et de la cupule dans les canaux semi-circulaires est décrit par le « modèle du pendule de torsion de Steinhausen ». Cette formule intègre l'inertie du liquide, la résistance visqueuse contre la paroi du canal, et l'élasticité de la cupule. Le canal étant extrêmement fin, la viscosité domine fortement, ce qui produit un pendule en « régime sur-amorti ». Il en résulte deux constantes de temps : une réaction rapide, en quelques millisecondes, où le liquide est mis en mouvement, et une réaction lente, sur plusieurs secondes, où la cupule revient à sa place. De plus, le tronc cérébral possède un « mécanisme de stockage de vitesse » qui prolonge le signal issu de la cupule ; la constante de temps du nystagmus et de la sensation de rotation devient ainsi plus longue que celle de la cupule seule. Ce mécanisme a été étudié en détail dans le cadre de la recherche sur le réflexe vestibulo-oculaire.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Canaux semi-circulaires (Wikipédia japonais) ／ Nystagmus (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Le mécanisme qui rend plus résistant à la rotation avec l'entraînement. On sait que, chez les danseurs ou les pilotes, la sensation après rotation dure moins longtemps, mais quelle partie du cerveau change, et comment, reste à l'étude.
- Pourquoi la sensibilité au vertige varie-t-elle autant d'une personne à l'autre ? Pour une même rotation, la durée du vertige et l'intensité du malaise varient fortement selon les personnes. On ne sait pas encore précisément jusqu'où cela vient de différences au niveau de l'oreille, et à partir d'où cela vient du traitement par le cerveau.
- Le fonctionnement en absence de gravité. Chez les astronautes, on a observé que la combinaison des sensations de rotation et d'inclinaison change. Le processus de récupération après le retour au sol fait aussi l'objet de recherches en cours.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète « l'explication telle qu'on la comprend actuellement ». Même la valeur de la constante de temps varie selon la méthode de mesure et selon les personnes.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, domaine 1 « principe d'inertie », domaine 2 « organes sensoriels » | Le retard du liquide, le capteur au fond de l'oreille |
| Lycée | Physique « lois du mouvement », biologie « récepteurs (récepteurs de l'équilibre) » | Le mécanisme de perception de l'accélération angulaire |
| Lycée+ | Physique « force d'inertie », mathématiques « fonction exponentielle » | La force apparente, la décroissance exponentielle de la sensation |
| Université | Physiologie, neurosciences, biomécanique | Modèle du pendule de torsion, mécanisme de stockage de vitesse, réflexe vestibulo-oculaire |
| Recherche | Neurosciences vestibulaires, médecine spatiale | Adaptation par l'entraînement, différences individuelles, changements en apesanteur |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | S'asseoir pour se calmer après avoir tourné en jouant, le mouvement du cou en danse, le mal des transports |
- Wikipédia en japonais, « 半規管 » (canaux semi-circulaires)
- Wikipédia en japonais, « 眼振 » (nystagmus)
- Wilson, V. J. & Melvill Jones, G. "Mammalian Vestibular Physiology", Plenum Press (1979)
- Raphan, T., Matsuo, V. & Cohen, B. "Velocity storage in the vestibulo-ocular reflex arc (VOR)", Experimental Brain Research 35 (1979)
- Hongō Toshinori & Hiroshige Tsutomu (dir.), 『標準生理学』(Physiologie standard), Igaku-Shoin (chapitre sur le sens de l'équilibre)
※Cet article est une explication scientifique destinée au grand public. Les valeurs numériques présentées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Pour l'expérience de rotation, restez toujours assis, dans un endroit dégagé. En cas de vertiges récurrents sans lien avec une rotation, consultez un professionnel de santé.