Des scientifiques de l’Université de Chicago ont découvert un moyen de créer une « boule » de turbulence contenue dans un réservoir d’eau, ce qui n’a jamais été réalisé auparavant. Ci-dessus, une visualisation montre la densité énergétique moyenne de la balle au fil du temps. Crédit : Takumi Matsuzawa
Les scientifiques ont créé une boule de turbulence confinée dans un réservoir, ce qui pourrait aider à répondre à des questions de longue date.
La turbulence est tout autour de nous. Du tourbillon de café et de lait dans votre café au lait aux forces aérodynamiques sur les ailes des avions et sur les côtés des voitures, en passant par le flux sanguin dans votre cœur après la fermeture d’une valve, c’est omniprésent. Cependant, nous n’avons pas encore bien compris toutes ses règles.
L’une des pierres d’achoppement réside dans l’approche traditionnelle des physiciens, qui préfèrent généralement étudier les phénomènes indépendamment des facteurs externes. Mais lorsqu’il s’agit de turbulences, comme lorsque l’on remue une tasse de liquide, la cuillère reste une partie intégrante du processus, influençant le comportement du fluide. Jusqu’à présent, isoler la turbulence en tant que variable indépendante s’est révélé difficile.
Un groupe de Université de Chicago Cependant, les scientifiques ont mis au point un moyen de créer des turbulences contenues dans un réservoir d’eau. Ils utilisent un anneau de jets pour souffler des boucles jusqu’à ce qu’une « boule » isolée de turbulences se forme et persiste.
« Cela a été une surprise pour nous », a déclaré le physicien Takumi Matsuzawa, premier auteur d’une étude décrivant les résultats, publiée dans Physique naturelle. « Ce serait comme s’asseoir calmement dans un champ avec un pique-nique et regarder une tempête faire rage à 15 mètres », a déclaré le professeur William Irvine, l’auteur correspondant de l’étude.
Ils espèrent que cette avancée ouvrira une nouvelle voie d’étude pour mieux comprendre les turbulences.
« Personne ne savait que c’était possible »
La turbulence – l’écoulement chaotique dans une substance inégalement mélangée – est un vieux problème. « C’est souvent cité comme l’une des grandes questions ouvertes en physique », a déclaré Irvine.
Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont progressé dans la description du comportement d’un état de turbulence « idéalisé ». C’est-à-dire des turbulences sans confondre les variables telles que les limites ou les variations de force et de temps. Mais lorsqu’il s’agit de comprendre les turbulences du monde réel, il reste encore beaucoup à comprendre.
« La turbulence apparaît partout autour de nous, mais elle continue d’échapper à ce que les physiciens considèrent comme une description satisfaisante », a déclaré Irvine. « Par exemple, si vous me demandez, puis-je prédire ce qui se passera ensuite lorsque je pénétrerai dans cette région de turbulence ? La réponse est non. Même pas vraiment avec un supercalculateur.
Les chercheurs suivent les turbulences avec des lasers et des caméras à grande vitesse. Crédit : Takumi Matsuzawa
L’un des gros problèmes était la présence de variables confondantes dans les expériences. Vous pouvez créer des turbulences en projetant un jet d’eau rapide à travers un tuyau ou en remuant une palette dans un réservoir d’eau, mais la turbulence effleure toujours les parois du récipient et l’agitateur, ce qui affecte les résultats.
Matsuzawa, Irvine et leurs collaborateurs avaient mené des expériences avec des réservoirs d’eau pour créer des « anneaux de vortex » – comme des anneaux de fumée, mais dans l’eau. Lorsqu’ils essayaient de les combiner pour créer des turbulences, l’énergie leur revenait généralement avant de se dissiper.
Mais une fois qu’ils ont découvert une configuration particulière – une boîte à huit coins, chacun contenant un générateur d’anneaux vortex – quelque chose d’étrange s’est produit.
Lorsqu’ils ont tiré à plusieurs reprises des anneaux qui se sont rencontrés au centre, ils ont vu se former une boule de turbulence autonome, loin des parois du char.
C’était en soi une avancée majeure : « Personne ne savait que cela était possible », a déclaré Matsuzawa, étudiant diplômé en physique. « Turbulence est très efficace pour mélanger les choses ; si vous mélangez votre lait à votre café, vous ne pouvez en obtenir qu’un ou deux tourbillons avant qu’il ne soit complètement mélangé. Le fait que nous puissions le 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 inclut son énergie et son hélicité (une mesure du degré d’enchevêtrement ou de « noueux » des boucles) ainsi que l’impulsion et l’impulsion angulaire (l’équivalent fluide de l’élan et du moment cinétique).
De plus, ils pourraient jouer avec en faisant varier les paramètres. Ils pouvaient changer si les boucles qu’ils envoyaient étaient des hélices tournant dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse. Ils pourraient modifier la quantité d’énergie entrante, ou arrêter d’ajouter des anneaux et regarder les turbulences se dissiper, ou faire varier l’hélicité des anneaux et voir comment les turbulences ont évolué au fil du temps.
« Comment les turbulences se dissipent-elles ? Comment se développe-t-il ? De quoi se « souvient-il » ? Comment l’énergie se propage-t-elle à travers les échelles ? Existe-t-il différents types de turbulences ? 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 contribuer à ouvrir un nouveau terrain de jeu dans ce domaine. »
