Les tourbillons de Naruto

10 12 2012

Dans le détroit de Naruto au Japon, des tourbillons géants se forment deux fois par jour. Leurs dimensions peuvent atteindre 20 mètres de diamètre et 1,7 m de profondeur. De telles caractéristiques en font parmi les tourbillons marins les plus impressionnant au monde.

Tourbillon Naruto

Les tourbillons de Naruto résultent de l’interaction entre les marées de l’océan Pacifique et celles de la mer intérieure de Seto qui se rencontrent à cet endroit. Le phénomène de marée fait varier la hauteur du niveau d’eau de chaque mer ou océan au cours de la journée. Cette variation dépend de la position de la Lune et du Soleil relativement à la Terre mais aussi de la configuration de l’océan (taille, forme des côtes, etc…). Il se trouve que les marées de l’océan Pacifique et de la mer intérieure du Seto ne sont pas synchronisées. Selon l’heure de la journée le niveau entre les deux eaux peut différer jusqu’à 1,5 m. Cette différence de hauteur va s’atténuer en entrainant un fort courant d’eau. L’intensité de ce courant est accrue par l’étroitesse du détroit de Naruto et peut ainsi atteindre 20 km/h. Ceci fait de ce courant un des quatre plus fort courant marin au monde. Il nous reste à comprendre pourquoi ce courant permet la création de tourbillons.

Pour qu’il y ait naissance d’un tourbillon il faut que deux zones du fluide se déplacent à des vitesses suffisamment différentes. Dans un écoulement rapide cela arrive très facilement et c’est pourquoi le détroit de Naruto est particulièrement adapté pour observer de grands tourbillons. Par exemple la simple présence d’un obstacle vient contrarier l’écoulement du fluide proche de lui. Ce fluide se retrouve ralenti par rapport à celui plus loin de l’obstacle et cette situation donne naissance à un tourbillon. Ceci peut être visualisé sur le cliché suivant où un écoulement d’eau (allant de la gauche vers la droite) rencontre une marche descendante. Le fluide en mouvement rencontre sous la marche un fluide au repos. Cette différence de vitesse « enroule » le fluide comme permet de le montrer le colorant noir.

Vortex shedding off a back-facing step in laminar flow

Dans le cas du détroit de Naruto, c’est probablement la proximité de la côte qui créée un obstacle à l’écoulement et la formation de grandes structures tourbillonnaires.

Les tourbillons de Naruto fascine le monde depuis déjà longtemps. Le maître de l’estampe japonaise du 19ème siècle , Utagawa Hiroshige, les a représentés dans sa série des Cent vues d’Edo qui regroupe les paysages incontournables du Japon de l’époque.

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Source :

Wikipédia – Le tourbillon de Naruto. (#)

Andrew Carter – Perception of design. (#)

Wikipédia – Utagawa Hiroshige. (#)

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Les nuages lenticulaires

27 10 2012

Cet objet non identifié dans le ciel à l’arrière de la montagne est un nuage lenticulaire.

Un nuage résulte de la montée d’une masse d’air chaud dans un environnement plus froid. La vapeur d’eau contenu dans l’air se condense alors en fines gouttelettes qui forment le nuage. Cependant la montée d’air chaud est un phénomène turbulent et se fait de manière désordonné. La plupart du temps les nuages ont des formes irrégulières et très variées.  Dans ce contexte, la forme bien dessinée et l’aspect lisse des nuages lenticulaires sont très étonnants. Demandons nous comment peuvent se former les nuages lenticulaires.

Ces nuages sont souvent présent à proximité d’une montagne. Il arrive même qu’ils la surplombent. L’image suivante en montre un exemple avec le mont Fuji protégé par son chapeau nuageux.

On remarque aussi que les nuages lenticulaires s’observent uniquement les jours où le vent souffle de manière intense dans une direction donné. Ces deux indices nous poussent à étudier l’interaction entre un vent fort et constant et un obstacle comme une montagne.

Lorsque une masse d’air rencontre une montagne elle est contrainte de se soulever (Situation A sur la figure 1). Généralement la densité de l’air décroît avec l’altitude dans l’atmosphère. La masse d’air soulevée se retrouve dans un milieu moins dense et retombe  sous l’effet de son poids après le passage de la montagne. Cette chute se fait jusqu’à une faible altitude où l’air est en comparaison plus dense. La masse d’air remonte alors sous l’effet de la poussée d’Archimède (situation B sur la figure 1). Ce phénomène de montée descente se répète plusieurs fois avant de s’atténuer.

Fig. 1 : Interaction du vent avec une montagne

Pour résumer, la présence d’une montagne soulève une masse d’air dense vers une altitude où la densité de l’air est inférieure. La masse d’air soulevée suit des oscillations haut/bas avant de retrouver son altitude d’équilibre où la densité de l’air est égale à celle de la masse d’air déplacée.

Lors de ces oscillations haut/bas, la masse d’air peut être refroidie jusqu’à atteindre son point de saturation en vapeur d’eau. Ceci entraine la formation d’un nuage (au niveau des points A et B sur la figure 1). C’est le fait que ces nuages se forment dans un écoulement d’air sinusoïdal qui explique leur aspect si particulier.

L’explication précédente montre que dans les bonnes conditions, des nuages lenticulaires peuvent se former au dessus d’une montagne et en amont de celle ci. Ce phénomène est clairement visible sur la photo suivante.

On remarque également sur cette image que les nuages lenticulaires peuvent apparaître à différentes altitudes. Ils forment ainsi une véritable pile d’assiettes renversées.

Si l’observation de ces nuages lenticulaires est si rare c’est que pour que les oscillations d’une masse d’air à l’arrière d’une montagne soient stables, il doit y avoir un accord entre la vitesse du vent et la topologie de la montagne. On pourra apercevoir des nuages lenticulaires uniquement les jours où le vent souffle dans la bonne direction avec la bonne intensité et où les conditions d’humidité permettent la formation de nuages. Ainsi le spectacle fournit par ces nuages reste exceptionnel.

Source :

Wikipédia – Altocumulus lenticularis. (#)

Wikipédia – Onde Orographique. (#)

Ciel des hommes. (#)

Nuages lenticulaires. (#)





Vol d’un volant de badminton

21 08 2012

A l’inverse de nombreux sports qui se pratiquent avec un ballon, le badminton se pratique avec un volant. Cet objet est composé d’un bouchon en liège et de véritables plumes d’oie.

Il est difficile de déterminer les origines précises du badminton. On sait que les Mayas pratiquait un sport dont la balle était constituée d’une boulette de feuille de maïs dans laquelle étaient plantées des plumes d’oiseaux. On trouve ensuite des indices d’un jeu similaire en Chine où l’on se faisait des passes avec un volant à l’aide du pied. Enfin le badminton comme on le connaît actuellement a été introduit en 1873 par des officiers anglais revenant des Indes qui tentaient de reproduire le jeu du « Poona » . Si le badminton porte ce nom c’est qu’il a été pratiqué en Angleterre dans le château du duc de Beaufort à Badminton. La légende dit que les officiers avaient alors utilisé un bouchon de champagne auquel ils attachèrent quelques plumes.

Jean-Baptiste-Simeion Chardin. Filette au volant. 1740

Mais la question qu’il est légitime de s’adresser est pourquoi avoir introduit un objet si complexe pour jouer au badminton ?

Afin de répondre à cette question on va commencer par étudier les effets de l’air sur le volant. Tout d’abord, un objet comme le volant de badminton subit plus les frottements de l’air qu’une balle de même section. Ces frottements avec l’air vont faire violemment décélérer le volant. Ainsi à vitesse de frappe égale, un volant ira moins loin qu’une sphère de même section et même masse. On peut donc penser que l’introduction du volant permet de réduire les dimensions du terrain de jeu et donc les distances parcourues. Ainsi le badminton serait un sport accessible au plus grand nombre.

Un autre effet de l’air sur la trajectoire d’un projectile est l’effet Magnus. Cet effet intervient lorsqu’une balle tourne sur elle même dans l’air. Il se caractérise par une courbure de la trajectoire de la balle. L’effet Magnus est présent au foot, au golf, au ping-pong, au football ou encore au tennis. En revanche il n’existe pas au badminton car le volant s’aligne dans la direction de la vitesse, le nez en avant, et ne tourne donc pas sur lui même (pas dans une direction différente de celle de sa vitesse). Ainsi les trajectoires des volants de badminton sont toujours inclus dans un plan et ne présente pas d’effet de « lift » ou de « coupé » comme au tennis. On comprend donc que les trajectoires au badminton soient plus facile à appréhender que d’en d’autres sports et que le badminton soit devenu un des sports les plus enseigné dans l’enseignement secondaire.

Il existe aussi des volants en plastique. Ceux ci sont surtout employé pour le loisir car ils sont moins chers et plus résistant. Les volants en plastique sont constitué avec des bouchons en liège ou en plastique et une jupe en plastique. Comme le montre l’image suivante, la jupe est quadrillée par de nombreux petits trous. Quel est l’intérêt de ce quadrillage ?

Des chercheurs japonais ont comparé les frottements de l’air pour un volant en plastique quadrillé de trou et un de même forme mais complètement lisse. Ils ont montré que le volant lisse subit moins de frottement avec l’air que celui troué. Ainsi la texture du plastique permet au volant en plastique d’avoir des propriétés aérodynamiques proches de celle des volants en plume. On comprend donc que les volants en plastique soient quadrillés pour ralentir autant que ceux en plume. Ainsi on peut jouer sur des terrains de même taille avec un volant en plastique et en plume.

Visualisation de filets d’air contournant un volant de badminton en plastique. Source : Rob Bulmahn. #

Cependant les volants de badminton laissent encore derrière eux de nombreuses questions. Par exemple ceux en plume et ceux en plastique ne sont pas strictement équivalent. En compétition on utilise systématiquement des volants en plume sans savoir réellement ce qui les distingue.

Sources :

L’histoire du badminton. #

K. Nakagawa, H. Hasegawa, M. Murakami and M. Obayashi. 9th ISEA Conference Proceeding (2012). #





Creep

31 07 2012

Un fluide visqueux qui coule sous l’effet de son poids adopte de superbes formes. L’artiste australienne Skye Kelly les utilise dans cette oeuvre vivante. Elle fait s’écouler plusieurs dizaines de litres de caramel depuis une plateforme suspendue au plafond. Le caramel forme des doigts qui s’affinent en filet avant d’atteindre le sol de la pièce.

On remarque d’abord l’organisation quasi parfaite des doigts de caramel. Un fluide suspendu à l’envers est instable. L’analyse de cette instabilité, dite de Rayleigh Taylor (#), montre qu’une longueur d’onde se développe plus rapidement que les autres. Le caramel s’agence selon cette distance inter-doigt privilégiée. 

On peut ensuite s’arrêter sur la forme du fluide suspendu. Les doigts ont des formes de gouttes pendantes très similaires à celles de rosée à l’extrémité des feuilles végétales. Quant à eux les filets de caramel s’amenuisent en tombant et donnent lieu à un superbe dégradé de couleurs orangées. En effet, la gravité accélère le fluide qui doit diminuer sa section pour satisfaire la conservation du volume. 

Enfin les filets retombent sur le sol pour créer de hauts empilements qui ne sont pas sans rappeler ceux du miel qui retombe dans son pot :

Source : Skye Kelly. #





Thomas Parnell était un homme patient

9 05 2012

Thomas Parnell était un physicien à l’université de Queensland lorsqu’il décida en 1927 de lancer une expérience qui est toujours en cours. Elle consiste à regarder couler un matériaux qui nous semble plutôt solide à température ambiante, ici du goudron, à travers un entonnoir. Ce goudron coule goutte à goutte à raison d’une goutte tous les 10 ans environ depuis 1927. Ainsi seulement 9 gouttes de goudron ce sont déversées dans le bécher sous-jasant depuis le début de l’expérience.

Thomas Parnell nous montre avec cette expérience que certains matériaux qui semblent solide (cf photo ci dessous) sont en fait des fluides excessivement visqueux. A titre d’exemple, le goudron utilisé ci dessus est 100 million de fois plus visqueux que de l’eau.

Source :

Pitch drop experiment – Wikipédia. #

University of Queensland. #





Ecoulement à l’arrière d’un cylindre

29 01 2012

L’ajout de colorants alimentaires en amont d’un cylindre permet de visualiser son sillage en aval d’un écoulement d’eau. Ici  le nombre de Reynolds correspondant à cet écoulement est de 4430 :

Source : Flow visulization. #





Lire sous le vent

29 01 2012

Comme l’a si bien remarqué Ramon Gomez de la Serna dans Greguerias « On voit que le vent ne sait pas lire quand il feuillette les pages d’un livre à l’envers. ». Il est vrai que le vent qui souffle sur un livre est capable de faire défiler ses pages.

Des chercheurs américains et français ont étudié ce phénomène en soumettant un livre à un vent de vitesse constante. Ils ont remarqué que lorsque le souffle est suffisant, le livre s’ouvre puis se ferme et que cet enchainement se répète à l’infini. La vidéo suivante rassemble leurs observations :

Comment peut-on comprendre ces successions d’ouverture et de fermeture ?

Il nous faut d’abord savoir comment l’écoulement de l’air autour du livre peut soulever une page du livre. Pour ce faire, regardons les lignes de courant de l’air à proximité du livre. Le schéma suivant représente les lignes de courant autour d’un livre représenté par une marche :

On observe sur ce schéma que l’air ne suit pas les angles droits et on voit l’apparition de zones de recirculation. Il se trouve que ces zones sont en dépression. A l’image de la dépression qui règne dans un aspirateur et qui permet de soulever les poussières du sol, la zone de dépression située au dessus du livre va produire le soulèvement du papier.

Une fois la première page soulevée, le vent pousse la page à s’ouvrir. Cette page finit par atteindre une forme d’équilibre qui résulte d’une compétition entre la force exercée par le vent, son élasticité et son poids. Un exemple de la forme adoptée par une page sous le vent est représentée sur l’image suivante :

L’explication précédente pour l’ouverture de la première page s’applique ensuite à une deuxième qui vient rejoindre la position de la première. Ce phénomène se répète et les pages ouvertes s’accumulent en l’air. Avec l’augmentation du nombre de pages ouvertes, l’élasticité et le poids de l’ensemble s’accroît. Il existe un nombre de page critique au delà duquel la force exercée par le vent ne suffit plus à compenser le poids et l’élasticité des pages ouvertes. Dès lors, elles se referment sur le livre et une nouvelle série d’ouverture pourra recommencer.

Source :

Perdo M. Reis & John W.M.  Bush, The Clapping Book. #

P. Buchak, C. Eloy, and P. M. Reis, The Clapping Book: Wind-Driven Oscillations in a Stack of Elastic Sheets. #