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En vidéo : la physique de l'eau dansante des bols tibétains

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Les bols chantants tibétains sont bien connus de tous ceux qui s'intéressent à la culture tibétaine et au bouddhisme. Remplis d'eau, ils permettent de produire un curieux phénomène hydroacoustique, déjà décrit par Michael Faraday. Le comportement de l'eau dans ces bols vient d'être étudié à l'aide d'une caméra ultrarapide.

Un bol tibétain avec sa mailloche, un bâton en bois, parfois recouvert de cuir ou de caoutchouc. © 2007 Tibetan Soul

La physique des ondes, fascinante, est riche d'une grande variété de phénomènes. On peut même dire qu'elle est au cœur de presque toute la physique, et cela au moins pour deux raisons. La première est que le concept de champ, qu'il soit classique ou quantique, domine quasiment toute la physique. La seconde est que la dynamique de ces champs dans l'espace et le temps se fait justement à l'aide de propagations d'ondes. 

C'est sans doute celles à la surface ou à l'intérieur des liquides qui permet d'illustrer toute la complexité des phénomènes ondulatoires, de sorte qu'il est possible de comprendre bien des branches de la physique en s'aidant de modèles issus de l'hydrodynamique. On sait par exemple que John Wheeler a fait grand usage des analogies entre le comportement dynamique de l'espace-temps et celui de l'eau.

Le concept de champ est largement issu initialement des travaux de Michael Faraday en électricité et surtout en magnétisme. Or, il se trouve qu'en 1831, le grand physicien s'était penché sur le comportement d'un liquide dans un récipient dont les parois étaient soumises à des excitations vibratoires. Au-delà d'une certaine fréquence, la surface plane du liquide cesse de l'être et exhibe diverses structures pouvant être périodiques. Il s'agit d'un phénomène non linéaire, comme dans le cas des fameuses vagues scélérates. On parle alors d'ondes de Faraday à la surface de ce liquide et plus généralement d'instabilité de Faraday.

Dans le cas des fameux bols chantant tibétains, on peut même voir l'apparition de ce qui semble être un état d'ébullition de l'eau.


En tournant lentement une mailloche sur le bord extérieur d'un bol tibétain rempli d’eau, on génère des vibrations dans le bol qui se met à émettre des sons harmonieux. Passé une certaine fréquence, la surface de l’eau s’agite et se brise en gouttes. © Denis Terwagne, John W. M. Bush/YouTube

Mais qu'est-ce qu'un bol tibétain ?

Il s'agit généralement d'un bol formé d'un alliage de bronze contenant au total sept métaux comme l'argent, l'étain, le mercure, l'or, le cuivre, le fer et le plomb. Chacun de ces métaux symboliserait des planètes du Système solaire à moins qu'il ne s'agisse des sept centres d'énergie que les traditions indiennes et bouddhiques situent à divers endroits dans le corps humain, les chakras. Ces bols ont donc une fonction ésotérique dans ces civilisations et sont associés à diverses pratiques chamaniques ou de méditation, essentiellement dans les régions himalayennes (Tibet, Népal, Bhoutan, Ladakh...) et le nord de l'Inde.

Toujours est-il qu'en tournant lentement une mailloche (bâton en bois, parfois recouvert de cuir ou de caoutchouc) sur le bord extérieur ou intérieur du bol rempli d'eau à diverses hauteurs, on génère des vibrations dans le bol qui se met à émettre des sons harmonieux. Passé une certaine fréquence, la surface de l'eau s'agite et se brise même en gouttes qui semblent danser et léviter au-dessus du liquide. Il s'agit d'un excellent exemple d'instabilité de Faraday.


La fréquence d'excitation de l'eau est ici f = 188 Hz et la lettre gamma est une mesure de l'intensité de la vibration sonore faisant vibrer les parois du bol tibétain. La vidéo montre ici le phénomène au ralenti. © Denis Terwagne, John W. M. Bush/YouTube

Des chercheurs de l'Université de Liège et du mythique Massachusetts Institute of Technology, là où enseigne Walter H.G. Lewin, ont décidé d'en apprendre un peu plus sur la formation de ces gouttes par instabilité Faraday. Pour cela ils ont filmé le comportement de l'eau dans un bol tibétain à l'aide d'une caméra ultrarapide. De cette manière, des observations qualitatives et des mesures quantitatives ont pu être faites. Il s'agissait de trouver des lois mathématiques concernant la formation, l'éjection et l'accélération des gouttes lors de leur danse au-dessus de la surface de l'eau.


La fréquence d'excitation sonore est ici de f = 143 Hz. On voit alors des gouttes d'eau se former. La vidéo montre ici le phénomène au ralenti. © Denis Terwagne, John W. M. Bush/YouTube

Les chercheurs considèrent qu'ils ont acquis de cette façon une bonne compréhension de ce phénomène et ont même publié un article (donné en lien ci-dessous) sur ce sujet. Ils veulent maintenant étudier les changements qui se produiraient en modifiant la composition du liquide et celle du bol.

Ce genre d'étude n'a pas qu'un intérêt intrinsèque, il devrait permettre de mieux comprendre des dispositifs produisant des gouttelettes dans diverses situations industrielles.