Des girouettes qui pointent de biais

Publié par Isabelle le 22/11/2014 à 00:00
Source: CNRS
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Illustration: techno-science.net
En observant la chute de cylindres munis d'un appendice dans un lame de savon, des physiciens ont montré qu'un objet symétrique muni d'un appendice court placé dans un écoulement s'oriente de biais et non pas dans l'axe du courant.

Attachée à son axe, une girouette s'oriente toujours dans l'axe du vent. Cet objet, dont les deux faces sont parfaitement symétriques, a une géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) qui ne privilégie ni la gauche ni la droite. Pourtant, comme viennent de le montrer des physiciens du Laboratoire Ondes et Matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) d'Aquitaine - LOMA (CNRS/Univ. Bordeaux), de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Gennes en Italie et du KTH en Suède certaines girouettes pointent de biais et subissent alors du vent une force latérale. Lorsque le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) du cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée...) faisant office d'axe de rotation est plus grand que la moitié de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) de la queue plate et fine de ces girouettes, le couplage entre les instabilités hydrodynamiques provoquées par le cylindre et cet appendice provoque une inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite...) dont l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) est aléatoirement d'un côté ou de l'autre.

Ce mécanisme, permettant la chute en biais d'un objet symétrique, pourrait être présent dans la nature sans avoir été encore identifié comme tel, par exemple pour permettre la dispersion de graines tombant d'un arbre ou d'organismes dans la mer ou des cours d'eau. Ce travail est publié dans la revue Nature Communications.


Écoulement à faible vitesse autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) d'un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une...) muni d'un appendice. Le système disque+appendice reste orienté dans le sens de l'écoulement qui est de haut en bas.
© Hamid Kellay

Pour cette expérience, des physiciens ont attaché une plaque rigide à un cylindre de diamètre de l'ordre de 6 mm et maintenu à chacune de ses extrémités par un fil en nylon. Ils ont ensuite placé ce cylindre dans un film de savon s'écoulant verticalement à une vitesse d'environ 2 mètres par seconde (en orientant l'axe du cylindre perpendiculairement au film de savon). Les chercheurs ont alors mesuré l'orientation que prenait la plaque et la force latérale subie par le cylindre et ont simultanément visualisé l'écoulement grâce aux irisations du film de savon. Lorsque la longueur de la plaque est plus petite que deux fois le diamètre de la plaque, cette dernière s'incline spontanément avec un angle dépendant de la longueur de la plaque et pouvant atteindre jusque 40°.


Écoulement à forte vitesse autour d'un disque muni d'un appendice. Le système disque+appendice pointe de biais et n'est plus orienté dans le sens de l'écoulement (de haut en base). La position du disque a aussi bougé vers la droite.
© Hamid Kellay

L'observation de l'écoulement montre que cette inclinaison résulte d'une instabilité qui brise la symétrie (De manière générale le terme symétrie renvoie à l'existence, dans une...) par rapport à la verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...) et due à l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) entre les tourbillons apparaissant à l'arrière du cylindre et la plaque. Cette rotation engendre une force supplémentaire qui dévie le cylindre à droite ou à gauche selon l'orientation du fil par rapport à l'écoulement. Ce travail a été confirmé par des simulations numériques qui ont en outre permis de généraliser ce phénomène à des écoulements à trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) concernant une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une...) munie d'un appendice plan.

Pour plus d'information voir: Passive appendages generate drift through symmetry breaking
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