Les scientifiques ont créé une boule turbulente enfermée dans un réservoir d’eau qui pourrait aider à répondre à une série de questions de longue date. La turbulence est tout autour de nous. La turbulence est partout, du tourbillon de café et de lait dans un café au lait, aux forces aérodynamiques exercées sur les ailes des avions et sur les côtés des voitures, et même au flux sanguin dans le cœur après la fermeture d'une valve. Cependant, nous ne les comprenons toujours pas entièrement.
L’approche traditionnelle des physiciens, qui aiment souvent étudier les phénomènes indépendamment des facteurs externes, constitue une pierre d’achoppement. Mais lorsqu’il s’agit de turbulences, tout comme pour remuer un verre de liquide, la cuillère fait toujours partie intégrante du processus, influençant le comportement du fluide. Jusqu’à présent, les méthodes permettant d’isoler la turbulence en tant que variable indépendante se sont révélées difficiles à obtenir.
Cependant, une équipe de scientifiques de l’Université de Chicago a mis au point une méthode permettant de créer des turbulences contenues dans un réservoir d’eau. Ils ont utilisé des jets annulaires pour pulvériser le flux annulaire jusqu'à ce qu'une « boule » isolée de turbulence se forme et persiste.
"Cela a été une surprise pour nous", a déclaré le physicien Takumi Matsuzawa, premier auteur d'une étude décrivant la découverte publiée dans Nature Physics. Le professeur William Irvine, l'auteur correspondant de l'étude, a déclaré : "C'est comme s'asseoir calmement dans un champ en train de pique-niquer et regarder une tempête faire rage à 15 mètres."
Ils espèrent que cette avancée ouvrira une nouvelle voie de recherche pour mieux comprendre la turbulence.
"La turbulence - le flux chaotique de matière dans un mélange hétérogène - est un vieux problème", a déclaré Owen. "C'est souvent cité comme l'un des grands problèmes non résolus de la physique."
Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont progressé dans la description du comportement des conditions turbulentes « idéalisées ». En d’autres termes, la turbulence ne comporte aucune variable confondante telle que des limites, ni des changements d’intensité et de temps. Cependant, il y a beaucoup plus à savoir sur les turbulences dans le monde réel.
"La turbulence est omniprésente autour de nous, mais elle reste insaisissable dans ce que les physiciens considèrent comme une description satisfaisante", a déclaré Owen. "Par exemple, si vous me demandez, puis-je prédire ce qui se passera ensuite si je perce cette région turbulente ? La réponse est non. Pas même avec des superordinateurs."
Un gros problème est la présence de variables confondantes dans les expériences. Vous pouvez créer des turbulences en pulvérisant rapidement de l'eau à travers un tuyau ou en remuant des palettes dans un réservoir, mais les turbulences frottent toujours contre les parois du récipient et de l'agitateur, affectant les résultats de l'expérience.
Matsuzawa, Owen et leurs collaborateurs ont mené des expériences d'"anneaux vortex" dans des réservoirs d'eau - comme des anneaux de fumée, mais dans l'eau. Lorsqu’ils tentent de les combiner pour créer des turbulences, l’énergie rebondit généralement puis se dissipe.
Mais une fois qu’ils ont découvert une configuration spéciale – une boîte à huit coins, chacun avec un générateur d’anneaux vortex – quelque chose d’étrange s’est produit. Alors qu'ils tiraient à plusieurs reprises sur les anneaux qui se rencontraient au centre, ils virent une boule de turbulence autonome se former, loin des parois de la boîte.
C'était une avancée en soi : "Personne ne pensait que cela était possible auparavant, la turbulence est très efficace pour mélanger des liquides ; si vous mélangez du lait avec du café, vous ne le remuez qu'une ou deux fois avant qu'il soit complètement mélangé, mais nous pouvons le maintenir en place, ce qui est très surprenant."
Une sphère de turbulence autonome permettrait aux scientifiques de suivre ses paramètres plus précisément à l’aide de lasers et de plusieurs caméras rapides. Cela inclut son énergie et son hélicité (une mesure de la façon dont la boucle est enchevêtrée ou « nouée »), ainsi que son impulsion et son impulsion angulaire (équivalentes à l'impulsion et au moment cinétique du fluide).
De plus, ils peuvent jouer avec en modifiant les paramètres. Ils peuvent changer si la boucle introduite est une spirale dans le sens horaire ou antihoraire. Ils pourraient modifier l’énergie d’entrée, ou arrêter d’ajouter des anneaux et regarder les turbulences se dissiper, ou modifier l’hélicité des anneaux et observer l’évolution des turbulences au fil du temps.
"Comment la turbulence se dissipe-t-elle ? Comment se dilate-t-elle ? De quoi se "mémorise-t-elle" ? Comment l'énergie se déplace-t-elle à travers les échelles ? Existe-t-il différents types de turbulences ? Nous pouvons poser toutes sortes de questions, et c'est un environnement unique dans lequel les poser", a déclaré Owen. "J'espère vraiment que cela nous aidera à innover dans ce domaine.