La turbulence est partout autour de nous. C’est dans le tourbillon de café et de lait dans un latte, se déployant le long des ailes des avions et des côtés des voitures, brassant le sang dans votre cœur après la fermeture de la valve. Pourtant, nous ne maîtrisons toujours pas toutes ses règles.
Une partie du défi est que les physiciens commencent généralement par isoler le phénomène de son environnement pour l’étudier, mais remuer une tasse signifie que la cuillère est toujours à l’intérieur, ce qui affecte le mouvement du liquide. Il n’y a pas eu de moyen de séparer la turbulence par elle-même.
Un groupe de scientifiques de l’Université de Chicago, cependant, a mis au point un moyen de créer une turbulence contenue 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.
« Ce fut une surprise pour nous », a déclaré le physicien Takumi Matsuzawa, le 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 qui fait rage à 50 pieds », a déclaré le professeur William Irvine, l’auteur correspondant de l’étude.
Ils espèrent que cette percée ouvre une nouvelle voie d’étude pour mieux comprendre la turbulence.
« Personne ne savait que c’était même possible »
La turbulence – le flux chaotique dans une substance inégalement mélangée – est un vieux problème. « Il est souvent cité comme l’une des grandes questions ouvertes en physique », a déclaré Irvine.
Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont fait des progrès dans la description du comportement d’un état de turbulence « idéalisé ». C’est-à-dire une turbulence sans variables confondantes comme 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 demandez, puis-je prédire ce qui se passera ensuite lorsque je toucherai cette région de turbulences ? La réponse est non. Même pas vraiment avec un supercalculateur. »
L’un des gros problèmes était la présence de variables confusionnelles dans les expériences. Vous pouvez créer des turbulences en tirant un jet d’eau rapide à travers un tuyau ou en remuant une palette dans un réservoir d’eau, mais la turbulence se frotte toujours contre 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 rebondissait généralement sur eux avant de se dissiper.
Mais une fois qu’ils sont tombés sur une configuration particulière – une boîte à huit coins, contenant chacun 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 une boule de turbulence se former qui était autonome, loin des parois du réservoir.
Cela en soi était une percée : « Personne ne savait que c’était même possible », a déclaré Matsuzawa, qui est étudiant diplômé en physique. « La turbulence est très bonne pour mélanger les choses ; si vous mélangez votre lait dans votre café, vous ne pouvez obtenir qu’un ou deux tourbillons avant qu’il ne devienne 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 beaucoup plus précisément. Cela inclut son énergie et son hélicité (une mesure de l’enchevêtrement ou de la « noue » des boucles) ainsi que l’impulsion et l’impulsion angulaire (l’équivalent fluide du moment et du moment angulaire).
De plus, ils pouvaient 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 des aiguilles d’une montre. Ils pourraient modifier la quantité d’énergie entrante, ou arrêter d’ajouter des anneaux et regarder la turbulence se dissiper, ou faire varier l’hélicité des anneaux et voir comment la turbulence a évolué au fil du temps.
« Comment la turbulence se dissipe-t-elle ? Comment se dilate-t-elle ? De quoi se « mémorise-t-elle ? » laquelle leur demander », a déclaré Irvine. « J’espère vraiment que cela pourra aider à ouvrir un nouveau terrain de jeu sur le terrain. »
Plus d’information:
Takumi Matsuzawa et al, Création d’une goutte turbulente isolée alimentée par des anneaux de vortex, Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-02052-0