Lorsqu’un objet heurte une étendue d’eau à la verticale, il est accompagné d’une forte force hydrodynamique alimentée par le flux d’eau qui l’entoure, qui le propulse vers l’avant. On sait que l’ampleur de cette force varie en fonction de la masse de l’objet qui heurte l’eau.
Bien que cette règle générale soit reconnue comme vraie pour les objets plats et sphériques, la force qui accompagne les objets plats est influencée par un facteur supplémentaire. Plus précisément, la présence d’une couche de gaz emprisonnée dans les objets plats altère leur hydrodynamique, ce qui entraîne des pics de pression inférieurs à ceux prédits par la théorie des coups de bélier.
La théorie du coup de bélier est une construction physique qui décrit ce qui se passe lorsqu’un fluide en mouvement est soudainement arrêté ou balancé dans une direction différente. La théorie suggère que cet arrêt ou ce changement soudain de mouvement produit une poussée de pression ou une onde dans le fluide, également appelée effet coup de bélier.
Bien que la théorie du coup de bélier puisse être utilisée pour prédire les pressions qui apparaissent dans différents systèmes fluides, elle ne permet pas de prédire les forces hydrodynamiques qui accompagnent les objets plats frappant l’eau verticalement. Il est intéressant de noter que certains objets sphériques à courbure plus faible, comme les galets sphériques de forme ovale, peuvent parfois se comporter comme des objets plats après un impact avec un plan d’eau.
Des chercheurs du Naval Undersea Warfare Center Division Newport, de l’Université Brigham Young et de l’Université King Abdullah des sciences et technologies (KAUST) ont mené une étude visant à délimiter la courbure à laquelle les objets sphériques commencent à se comporter comme des objets plats. Leur article, publié dans Lettres d’examen physiqueprésente des preuves qui remettent en question la croyance bien établie selon laquelle les objets plats sont accompagnés des forces d’impact les plus élevées dans l’eau.
« Nous souhaitions mesurer la force d’impact d’un corps à nez plat sur de l’eau plate », a déclaré à Phys.org Jesse Belden, co-auteur de l’étude.
« On croyait depuis longtemps dans la littérature que ce scénario produirait la plus grande force d’impact (par opposition à d’autres géométries de nez). Cependant, dans cet article, nous avons constaté que le fait de placer une très légère courbure positive sur le nez augmentait la force d’impact de manière significative au-delà de celles mesurées pour les corps à nez plat. »
Pour réaliser leurs tests, Belden et ses collègues ont conçu un corps expérimental unique, qu’ils ont ensuite fixé à des objets de différentes formes. Ce corps était équipé d’un accéléromètre qui permettait aux chercheurs de mesurer directement les forces d’impact des objets avec l’eau.
« Nous avons ensuite conçu plusieurs formes de nez différentes, allant de l’hémisphérique au plat, qui pouvaient être fixées au corps d’essai », a expliqué Belden. « Nous avons comparé les forces d’impact que nous avons mesurées aux théories existantes qui prédisent les forces d’impact sur les formes de nez sphériques et avons trouvé le rayon de nez auquel nos expériences s’écartaient de ces théories. »
Les résultats obtenus par Belden et ses collègues contredisent l’hypothèse selon laquelle les objets plats subissent des forces hydrodynamiques plus importantes que les objets sphériques lorsqu’ils entrent en collision avec l’eau à la verticale. Les chercheurs ont plutôt découvert que la courbure des objets sphériques pouvait grandement influencer l’ampleur des forces d’impact qui les accompagnent.
« Nous avons observé que lorsque le nez s’aplatit, une couche d’air se retrouve emprisonnée entre le nez et l’eau au moment de l’impact », a déclaré Belden. « La hauteur de cette couche d’air dépend fortement de la courbure du nez. De plus, la couche d’air « amortit » considérablement l’impact. Un nez légèrement courbé induit une hauteur de couche d’air plus courte, ce qui se traduit par un amortissement moindre par rapport à un nez plat. »
Les résultats obtenus par Belden et ses collègues pourraient avoir des implications précieuses pour le développement futur d’objets et de technologies conçus pour se déplacer rapidement dans l’eau. De plus, leurs travaux pourraient inspirer d’autres groupes de recherche à réaliser des expériences similaires visant à explorer plus en profondeur l’hydrodynamique d’objets sphériques présentant différentes courbures.
« Dans nos prochaines études, nous serions curieux de savoir si les plongeurs biologiques (c’est-à-dire les humains ou les oiseaux) subissent parfois des forces d’impact aussi importantes que celles que nous avons révélées dans nos expériences en laboratoire », a ajouté Belden.
Plus d’information:
Jesse Belden et al., Impact de l’eau : quand une sphère devient plate, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.034002
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