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Le MIT fait un zoom sur la turbulence

La turbulence fait partie de ces phénomènes faussement simples que l'on rencontre partout dans le monde à notre échelle et qui continuent à poser de redoutables problèmes aux théoriciens. Le grand Richard Feynman lui-même a du s'avouer vaincu lorsqu'il a tenté d'en percer tous les secrets. De la physique des plasmas du Soleil au vol des avions en passant par l'origine du champ magnétique terrestre ou de la dynamique des océans, il y a peu de domaines de la physique qui ne bénéficieraient d'une meilleure compréhension de ce phénomène. Une équipe du MIT, à l'aide d'une caméra ultra-rapide, vient peut-être de nous rapprocher un peu plus de la solution de ce problème.

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La turbulence s'observe facilement dans un fluide lorsque celui-ci dépasse une certaine vitesse limite d'écoulement. Le flot, jusqu'alors lisse et régulier, devient tourbillonnant, agité et avec formation de bulles. Tout le monde sait que la surface calme de l'océan se brise en gouttelettes lorsqu'une vague atteint le rivage mais ce phénomène, pourtant simple et lié à la turbulence, reste toujours fondamentalement incompris. Bien des grands noms de la physique, des mathématiques et de l'ingénierie se sont attaqués à la turbulence. On peut citer Heisenberg, Chandrasekhar, Kolmogorov, Von Neumann, Prandtl, Richardson et même Alexander Friedmann.

Des progrès importants ont été réalisés, malgré tout, par des gens comme Lev Landau et surtout David Ruelle, mais beaucoup reste à faire. On sait tout de même que la théorie du chaos joue un rôle probablement majeur dans tous les aspects de la turbulence. Ce qui veut dire que, derrière les mouvements apparemment désordonnés et imprévisibles des fluides, doit se cacher un ordre complexe, subtil et un déterminisme plus important qu'on ne l'imagine au premier abord.

Pour décrypter cet ordre, les chercheurs du MIT ont eu l'idée de placer de minuscules billes de polystyrène dans un réservoir en rotation contenant de l'eau agitée par des jets. Sous l'action d'un rayon laser, les billes sont illuminées et une caméra ultra-rapide a pris une série d'images. En analysant les données enregistrées avec un ordinateur, le champ de vitesse dans l'eau de ces billes a pû être déterminé.

Crédit : George Haller
Crédit : George Haller

Une surprise est apparue en traçant les lignes de courants, deux classes de telles lignes, colorées en bleu et en rouge ont pu être isolées. Les lignes rouges correspondent à des zones repoussant les particules présentes dans le fluide alors que les lignes bleues présentent des zones les attirants. L'image obtenue donne une idée saisissante de la complexité présente dans le flot, d'autant plus que toutes ces lignes changent de formes dans le temps !

La visualisation des écoulements a toujours été capitale pour les progrès en hydrodynamique. D'ailleurs les conceptions d'avions en souffleries utilisaient déjà depuis longtemps cette technique de marquage des écoulements. On peut donc prédire qu'en plus de percées dans la théorie de la turbulence, de nombreuses applications résulteront de cette technologie, comme des avions plus rapides et plus sûrs et une meilleure prévisions des risques liés à la diffusion des polluants dans l'air ou dans l'eau.


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