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De nouvelles formes dans le "seau de Newton"
Posté par Michel le Mardi 16 Mai 2006 à 00:00:20
Que se produit-il quand on tourne rapidement la base d'un cylindre rempli d'eau ? Selon les travaux de physiciens danois, des polygones possédant jusqu'à six cotés apparaissent sur la surface de l'eau. Ces "instabilités" spectaculaires pourraient être utilisés pour étudier de nombreux systèmes complexes en physique.
Les flux en rotation constituent un domaine d'étude important en dynamique des fluides classique et peuvent produire des structures instables intéressantes, telles que des vortex. A cause de la rotation de la Terre, de tels écoulements présentent également un intérêt en géophysique (dans les océans ou dans l'atmosphère). En ingénierie, ces courants sont souvent présents dans les machines hydrauliques (turbos). Par ailleurs, des récipients en rotation peuvent être utilisés pour l'étude expérimentale des vortex et pour obtenir des informations sur des phénomènes naturels tels que des tornades.
Figure 1. Exemples de forme polygonales dans de l'eau
(a) "triangle"; (b) "carré"; (c) "pentagone"
Pour plus d'images et une vidéo: cliquer ici
L'expérience des chercheurs est une application extrêmement simple de l'expérience du "seau de Newton", ainsi nommée d'après le seau qu'Isaac Newton avait utilisé pour étudier les origines de la force centrifuge qui repousse un liquide vers les parois du récipient. L'étude, menée par Tomas Bohr et ses collègues de l'université technique du Danemark et de l'institut Niels Bohr de Copenhague, s'en différencie par le fait que les parois du récipient cylindrique restent fixes tandis que sa base est en rotation.
Figure 2. Le matériel de l'expérience
Le seau est en Plexiglas, mesure environ 20 centimètres de large et sa base est constituée d'une plaque tournante (figure 2). Le récipient est rempli d'eau et la plaque est mise en rotation. Pour une rotation suffisamment rapide, des déformations en forme de polygones apparaissent sur la surface du liquide (figure 1). En utilisant de l'éthylène glycol, environ 15 fois plus visqueux que l'eau, il y a formation de polygones à trois cotés (figure 3). Dans certains cas, des vortex se forment aux sommets du polygone (figure 4).
Figure 3. Un triangle se forme spontanément sur une surface d'éthylène glycol
Selon l'équipe danoise, les polygones sont des nouveaux membres d'une classe fascinante de systèmes où la rupture spontanée de la symétrie axiale mène à des formes simples stationnaires ou tournant de façon rigide. Dans cette famille se trouvent déjà les vortex du système "Couette-Taylor" et les cisaillements de "Kelvin-Helmhotz-Rayleigh".
Figure 4. Carré en rotation dans de l'eau. Des vortex verticaux se forment à l'extérieur des sommets
Les scientifiques n'expliquent pas encore complètement la formation de ces polygones mais projettent désormais de répéter l'expérience avec des seaux de différents diamètres et des liquides plus visqueux. "Les variations que nous observerons en fonction de ces paramètres devraient nous fournir des informations significatives sur l'origine de ces structures" indique Bohr.
Source: Physics Web
Illustrations: Phys. Rev. Lett.
Posté par Michel le Mardi 16 Mai 2006 à 00:00:20
Que se produit-il quand on tourne rapidement la base d'un cylindre rempli d'eau ? Selon les travaux de physiciens danois, des polygones possédant jusqu'à six cotés apparaissent sur la surface de l'eau. Ces "instabilités" spectaculaires pourraient être utilisés pour étudier de nombreux systèmes complexes en physique.
Les flux en rotation constituent un domaine d'étude important en dynamique des fluides classique et peuvent produire des structures instables intéressantes, telles que des vortex. A cause de la rotation de la Terre, de tels écoulements présentent également un intérêt en géophysique (dans les océans ou dans l'atmosphère). En ingénierie, ces courants sont souvent présents dans les machines hydrauliques (turbos). Par ailleurs, des récipients en rotation peuvent être utilisés pour l'étude expérimentale des vortex et pour obtenir des informations sur des phénomènes naturels tels que des tornades.
Figure 1. Exemples de forme polygonales dans de l'eau
(a) "triangle"; (b) "carré"; (c) "pentagone"
Pour plus d'images et une vidéo: cliquer ici
L'expérience des chercheurs est une application extrêmement simple de l'expérience du "seau de Newton", ainsi nommée d'après le seau qu'Isaac Newton avait utilisé pour étudier les origines de la force centrifuge qui repousse un liquide vers les parois du récipient. L'étude, menée par Tomas Bohr et ses collègues de l'université technique du Danemark et de l'institut Niels Bohr de Copenhague, s'en différencie par le fait que les parois du récipient cylindrique restent fixes tandis que sa base est en rotation.
Figure 2. Le matériel de l'expérience
Le seau est en Plexiglas, mesure environ 20 centimètres de large et sa base est constituée d'une plaque tournante (figure 2). Le récipient est rempli d'eau et la plaque est mise en rotation. Pour une rotation suffisamment rapide, des déformations en forme de polygones apparaissent sur la surface du liquide (figure 1). En utilisant de l'éthylène glycol, environ 15 fois plus visqueux que l'eau, il y a formation de polygones à trois cotés (figure 3). Dans certains cas, des vortex se forment aux sommets du polygone (figure 4).
Figure 3. Un triangle se forme spontanément sur une surface d'éthylène glycol
Selon l'équipe danoise, les polygones sont des nouveaux membres d'une classe fascinante de systèmes où la rupture spontanée de la symétrie axiale mène à des formes simples stationnaires ou tournant de façon rigide. Dans cette famille se trouvent déjà les vortex du système "Couette-Taylor" et les cisaillements de "Kelvin-Helmhotz-Rayleigh".
Figure 4. Carré en rotation dans de l'eau. Des vortex verticaux se forment à l'extérieur des sommets
Les scientifiques n'expliquent pas encore complètement la formation de ces polygones mais projettent désormais de répéter l'expérience avec des seaux de différents diamètres et des liquides plus visqueux. "Les variations que nous observerons en fonction de ces paramètres devraient nous fournir des informations significatives sur l'origine de ces structures" indique Bohr.
Source: Physics Web
Illustrations: Phys. Rev. Lett.