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Certaines gouttes de pluie tombent plus vite que leur vitesse terminale

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C'est bien connu : plus un corps est lourd, plus il tombe vite, du moins dans l'atmosphère. Pourtant, des chercheurs américains ont observé de petites gouttes de pluie qui tombent plus vite que les grandes. Elles dépasseraient même leur vitesse terminale prévue par les lois de la physique !

Des chercheurs de la Michigan Technological University (États-Unis) ont confirmé un résultat qu'ils avaient obtenu en 2009 : certaines gouttes de pluie fines tombent plus vite que d'autres plus grandes. © Photophilde Flickr, CC by-sa 2.0

Les grandes gouttes de pluie tombent plus vite que les petites, dit la littérature. C'est pourtant tout le contraire qu'ont observé des chercheurs de la Michigan Technological University (États-Unis). Ils ont passé cinq mois à étudier des tempêtes pluvieuses et à enregistrer les vitesses de chute des gouttes d'eau de pluie. Leur conclusion : certaines des plus petites gouttes tombent non seulement plus vite que les grandes mais, en plus, elles atteignent une vitesse qui dépasse leur vitesse terminale théorique !

Rappelons qu'un objet en chute dans l'atmosphère, comme nos gouttes, est soumis essentiellement à deux forces qui s'opposent : la gravité qui l'attire vers la Terre et la résistance de l'air qui freine sa chute et qui augmente avec le carré de la vitesse. Après une certaine distance de chute, le corps atteint sa vitesse maximale, appelée vitesse terminale. Pour un homme de taille et de poids moyen, en position ventrale, la distance de chute correspond à environ 550 mètres et sa vitesse terminale est d'environ 190 km/h.

Mieux comprendre la formation des gouttes

L'équipe avait déjà travaillé sur la question en 2009 en collaboration avec des physiciens de la Universidad Nacional Autanoma de Mexico, au Mexique. Les chercheurs avaient alors étudié quelque 64.000 gouttes de pluie grâce notamment à un spectromètre optique et à un nouvel algorithme leur permettant d'analyser la taille des gouttes. Ils avaient alors mis en évidence des groupes de gouttes qui tombaient plus vite que leur vitesse terminale.

Cette fois, les physiciens de la Michigan Technological University, aidés de ceux du College of Charleston (États-Unis), sont allés plus loin. Ils ont mesuré les vitesses de plus de 1,5 million de gouttes d'eau à l'aide de 22 instruments capables de suivre les gouttes lorsque celles-ci passent au travers d'un faisceau laser. De quoi écarter l'hypothèse d'un biais expérimental. Et leurs résultats sont sans appel : toutes les gouttes de 0,8 mm et plus tombent aux vitesses attendues alors que, entre 30 et 60 % des gouttes autour de 0,3 mm, tombent à des vitesses « super terminales ».

Dans la réalité, les gouttes de pluie n’ont pas la forme poétique de larmes (A). Les gouttes les plus petites sont presque sphériques (B). Le dessous des gouttes moyennes est aplati par la résistance de l’air (C). Les grandes gouttes sont très instables (D). Et les gouttes encore plus grandes pourraient bien être tellement instables qu'elles finiraient par se diviser en gouttes plus petites (E). © Pbroks13, Wikipedia

L'introduction de gouttelettes « super terminales » dans les modèles météorologiques pourrait améliorer la qualité des prévisions. Jusqu'à aujourd'hui en effet, les modèles supposaient que toutes les gouttes tombaient à leur vitesse terminale. Et si la discussion peut sembler futile à certains, elle intéressera sans doute toutes ces activités économiques comme l'agriculture ou la construction qui sont fortement dépendantes de la météo.

Mais, avant de remettre en question les modèles classiques, l'équipe de la Michigan Technological University souhaite mieux comprendre comment les gouttes de pluie et plus particulièrement ces gouttelettes « super terminales » se forment. Peut-être les collisions entre gouttes sont-elles fréquentes et les gouttes « super terminales » ne sont-elles que des fragments de plus grosses gouttes brisées dans l'agitation ? La question reste pour l'heure en suspens.