Nous vivons constamment au cœur de la turbulence. Cette dernière se trouve dans le mélange de café et de lait dans un latte, se déploie sur les ailes des avions et les flancs des voitures, et se manifeste dans le flux sanguin après la fermeture d’une valve cardiaque. Malgré cela, nous ne saisissons toujours pas pleinement l’ensemble de ses règles.
Un des obstacles tient au fait que les physiciens cherchent généralement à isoler le phénomène pour l’étudier – mais remuer une tasse signifie que la cuillère y est toujours présente, influençant le mouvement du liquide. Jusqu’à présent, il n’existait pas de moyen pour isoler la turbulence.
Une équipe de scientifiques de l’Université de Chicago a cependant développé une méthode pour créer une turbulence contenue dans un réservoir d’eau. Ils utilisent un anneau de jets pour souffler des boucles jusqu’à ce qu’une « boule » de turbulence isolée se forme et persiste.
« Cela a été une surprise pour nous », a déclaré le physicien Takumi Matsuzawa, premier auteur d’une étude décrivant ces découvertes, publiée dans Nature Physics. « C’est comme si on pouvait s’asseoir tranquillement dans un champ pour pique-niquer tout en regardant une tempête se déchaîner à une quinzaine de mètres de distance« , a déclaré le professeur William Irvine, l’auteur principal de l’étude.
Ils espèrent que cette avancée ouvrira une nouvelle voie d’étude pour mieux comprendre la turbulence. « Personne ne savait même que c’était possible.«
La turbulence, soit le flux chaotique d’une substance mélangée de manière inégale, est un problème ancien. « On la cite souvent comme l’une des grandes questions ouvertes en physique« , a déclaré William Irvine.
Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont fait des progrès dans la description du comportement d’un état « idéalisé » de turbulence, c’est-à-dire une turbulence sans variables confondantes telles que des limites, ou des variations de force et de temps. Mais en ce qui concerne la turbulence du monde réel, il reste encore beaucoup à comprendre.
« La turbulence apparaît partout autour de nous, mais elle continue à échapper à ce que les physiciens considèrent comme une description satisfaisante« , a expliqué Irvine. « Par exemple, si vous demandez, puis-je prédire ce qui va se passer quand je touche cette région de turbulence? La réponse est non. Pas même avec un superordinateur. »
Un des grands problèmes était la présence de variables confondantes dans les expériences. On peut créer de la turbulence en propulsant un jet d’eau rapide à travers un tuyau ou en agitant une palette dans un réservoir d’eau, mais la turbulence frotte toujours contre les parois du récipient et l’agitateur, ce qui affecte les résultats.
Matsuzawa, Irvine et leurs collaborateurs menaient des expériences avec des réservoirs d’eau pour créer des « anneaux de vortex » – semblables à des anneaux de fumée, mais dans l’eau. Lorsqu’ils ont essayé de les combiner pour créer de la turbulence, l’énergie rebondissait généralement sur eux avant de se dissiper.
Mais lorsqu’ils ont trouvé une configuration particulière – une boîte à huit coins, chaque coin contenant un générateur d’anneaux de vortex – quelque chose d’étrange s’est produit.
Lorsqu’ils ont tiré des anneaux qui se rencontraient au centre, ils ont observé qu’une boule de turbulence se formait, qui était auto-contenue – à l’écart des parois du réservoir.
Cela a été un véritable choc : « Personne ne savait même que c’était possible« , a déclaré Matsuzawa, qui est doctorant en physique. « La turbulence est très efficace pour mélanger les choses ; si vous mélangez du lait dans votre café, vous pouvez seulement obtenir un ou deux tourbillons avant qu’il ne soit complètement mélangé. Le fait que nous puissions la contenir en place est très surprenant. »
Matsuzawa a expliqué qu’une boule de turbulence autonome permet aux scientifiques, à l’aide de lasers et de plusieurs caméras rapides, de suivre ses paramètres avec beaucoup plus de précision. Cela comprend son énergie et son hélécité (une mesure de la complexité ou du « noeud » des boucles), ainsi que l’impulsion et l’impulsion angulaire (l’équivalent fluide de l’élan et de l’élan angulaire).
De plus, ils pouvaient jouer avec en variant les paramètres. Ils pouvaient changer le sens de rotation des hélices qu’ils envoyaient, en sens horaire ou antihoraire. Ils pouvaient modifier la quantité d’énergie entrante, ou arrêter d’ajouter des anneaux et observer la dissipation de la turbulence, ou varier l’hélicité des anneaux et voir comment la turbulence évoluait dans le temps.
« Comment la turbulence se dissipe-t-elle ? Comment s’étend-elle ? Que « retient-elle » ? Comment l’énergie se répartit-elle à différentes échelles ? Existe-t-il différents types de turbulence ? Il y a toutes sortes de questions que nous pourrions poser, et c’est un cadre unique pour les poser« , a déclaré Irvine. « J’espère vraiment que cela pourra ouvrir un nouveau terrain de jeu dans le domaine.«
Pour aller plus loin
La turbulence, omniprésente dans notre vie quotidienne, demeure un mystère pour la science. Cette nouvelle méthode mise au point par des chercheurs de l’Université de Chicago offre un nouvel espace de compréhension et d’analyse, avec des possibilités expérimentales qu’on n’avait pas soupçonnées auparavant. Cependant, le chemin est encore long pour une maîtrise totale de ce phénomène complexe et imprévisible.
FAQ
1. Qu’est-ce que la turbulence ?
La turbulence est le flux chaotique d’une substance mélangée de manière inégale. Elle est présente partout autour de nous, que ce soit dans le mélange de café et de lait dans un latte, le long des ailes des avions ou dans le flux sanguin après la fermeture d’une valve cardiaque.
2. Pourquoi est-il difficile d’étudier la turbulence ?
L’un des défis majeurs est l’interaction de la turbulence avec son environnement, qui rend difficile son isolation pour l’étude. De plus, même dans des conditions contrôlées, les variables de l’expérience peuvent interférer avec les résultats.
3. Comment les chercheurs de l’Université de Chicago ont-ils réussi à isoler la turbulence ?
Ils ont utilisé un anneau de jets dans un réservoir d’eau pour créer une boule de turbulence auto-contenue, sans interaction avec les parois du réservoir. Cela a été possible grâce à une configuration particulière, une boîte à huit coins avec un générateur d’anneaux de vortex dans chaque coin.
4. Quels sont les avantages de cette boule de turbulence auto-contenue ?
Cette boule de turbulence permet aux scientifiques de suivre de manière précise les paramètres de la turbulence, tels que son énergie, son hélécité, son impulsion et son impulsion angulaire. De plus, ils peuvent expérimenter en modifiant les paramètres pour observer comment la turbulence évolue.
5. Quel impact cette recherche pourrait-elle avoir sur notre compréhension de la turbulence ?
Cette avancée pourrait ouvrir un nouveau champ d’études pour comprendre la turbulence, en posant de nouvelles questions sur sa dissipation, son expansion, sa mémoire, la répartition de l’énergie à différentes échelles, et la possibilité de l’existence de différents types de turbulence.
Légende illustration principale : Des scientifiques de l’université de Chicago ont mis au point un moyen de créer une « boule » de turbulence contenue dans un réservoir d’eau, ce qui n’avait jamais été fait auparavant. Une visualisation montre la densité d’énergie moyenne de la boule au fil du temps. Image Takumi Matsuzawa
Citation : « Création d’un blob turbulent isolé alimenté par des anneaux tourbillonnaires« . Matsuzawa, Mitchell, Perrard et Irvine, Nature Physics, 11 mai 2023.
