Turbulences : l'un des plus grands mystères irrésolus de la physique - Tomás Chor

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Vous êtes dans un avion lorsque vous sentez une violente secousse. Dehors, tout semble calme, pourtant l'avion continue de vous secouer, vous et vos compagnons de vol, pendant qu'il passe à travers l'air turbulent de l'atmosphère. Que sont qu'exactement les turbulences, et pourquoi se produisent-elles ? Tomàs Chor se penche sur l'un des plus grands mystères de la physique : le phénomène complexe des turbulences.

Cours par Tomàs Chor, réalisé par Biljana Labovic.

Vous êtes à bord d'un avion quand
vous ressentez une brusque secousse.

Dehors, tout semble calme,

pourtant, l'avion vous secoue,
vous et vos compagnons de vol

à travers l'air turbulent de l'atmosphère.

Même si ce n'est pas rassurant à entendre,

ce phénomène est l'un des plus
grands mystères de la physique.

Après plus d'un siècle
d'étude sur la turbulence,

nous avons trouvé peu d'explications
sur son mode de fonctionnement

et comment elle influence
le monde qui nous entoure.

Pourtant, la turbulence est omniprésente,

elle surgit dans presque chaque système
ayant des fluides en mouvement.

Ce qui inclut le flux d'air
dans votre appareil respiratoire,

le sang qui coule dans vos veines,

et le café que vous touillez
dans votre tasse.

Les nuages sont gouvernés
par la turbulence,

comme les vagues qui se brisent sur le
rivage et les rafales de plasma du soleil.

Comprendre précisément comment
ce phénomène fonctionne

aurait des répercussions sur de
multiples aspects de nos vies.

Voici ce que l'on sait.

Liquides et gaz ont d'habitude
deux types de mouvement :

l'écoulement laminaire,
qui est stable et lisse,

et l'écoulement turbulent, composé
de volutes a priori désordonnées.

Prenons un bâton d'encens.

L'écoulement laminaire de fumée lisse
à la base est régulière, facile à prévoir.

Un peu plus haut, pourtant,

la fumée s'accélère, devient instable

et le motif de mouvement
devient chaotique.

C'est la turbulence en action,

et les écoulements turbulents ont
certaines caractéristiques en commun.

Premièrement, la turbulence
est toujours chaotique.

Ce qui ne veut pas dire aléatoire.

La turbulence est donc
très sensible aux perturbations.

Un petit coup n'importe où

donnera des résultats
totalement différents.

Il est presque impossible
de prédire ce qu'il se passera,

même avec beaucoup d'informations
sur l'état actuel d'un système.

Une autre caractéristique
importante de la turbulence

concerne les différents mouvements
que ces écoulements forment.

L'écoulement turbulent est formé
de remous de tailles différentes

appelés tourbillons,

qui ressemblent à des vortex
de différentes tailles et formes.

Ces tourbillons interagissent entre eux,

se cassent pour devenir
toujours plus petits

jusqu'à ce que ce mouvement
se transforme en chaleur,

selon un procédé appelé
« cascade turbulente ».

C'est ainsi
qu'on reconnaît la turbulence -

mais pourquoi se produit-elle ?

Dans chaque liquide ou gaz qui s'écoule
se trouvent deux forces opposées :

l'inertie et la viscosité.

L'inertie, c'est la tendance d'un fluide
à conserver son mouvement,

ce qui cause de l'instabilité.

La viscosité empêche la perturbation,

et rend l'écoulement laminaire.

Pour les liquides épais tels que le miel,

la viscosité remporte presque toujours.

Des substances moins visqueuses comme
l'eau ou l'air sont sujettes à l'inertie,

ce qui crée des instabilités qui
se transforment en turbulence.

Nous mesurons un écoulement
selon son régime,

avec le nombre de Reynolds,

qui calcule le ratio inertie/viscosité
dans un écoulement.

Plus le nombre de Reynolds est élevé,

plus il y a de chance
qu'une turbulence se crée.

Par exemple, du miel versé dans une tasse

a un nombre environ égal à 1.

Avec de l'eau, il approche 10 000.

Le nombre de Reynolds est utile
pour comprendre des scénarios simples,

mais est inefficace dans
beaucoup de situations.

Par exemple, le mouvement de l'atmosphère
est considérablement influencé

par certains facteurs, tels que
la gravité et la rotation de la Terre.

Ou prend en compte des choses simples,

comme la résistance aérodynamique
des bâtiments et des voitures.

On peut les modéliser grâce à des
expériences et la preuve empirique.

Mais les physiciens veulent les prévoir
par des équations et des lois physiques

comme nous modélisons l'orbite d'une
planète ou les champs électromagnétiques.

La plupart des scientifiques pensent
que cette avancée dépend de la statistique

et d'une puissance de calcul accrue.

Des simulations d'écoulements turbulents
sur des ordinateurs extrêmement rapides

nous aideraient à identifier des schémas
qui pourraient mener à une théorie

qui organise et unifie les prédictions
à travers des situations diverses.

D'autres scientifiques jugent
ce phénomène tellement complexe

qu'une théorie aussi complète
ne sera jamais possible.

Nous espérons faire une découverte,

car une bonne compréhension
de la turbulence

pourrait avoir des conséquences positives,

comme des éoliennes plus performantes ;

pouvoir mieux se préparer
aux catastrophes naturelles ;

ou bien la capacité de contrôler
les ouragans à distance.

Et, bien sûr, des trajets plus calmes
pour des millions de passagers.