Derrière le phénomène des "eaux-mortes"

Publié par Redbran le 09/07/2020 à 13:00
Source: CNRS
Des bateaux mystérieusement freinés, voire stoppés, dans leur course bien que leurs moteurs fonctionnent parfaitement. Ce sont les "eaux-mortes", observées pour la première fois en 1893, et décrites expérimentalement en 1904, sans avoir livré tous leurs secrets. Une équipe interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et de l'université de Poitiers (L'université de Poitiers est une université française située à Poitiers. Elle est l’une des deux universités de la région Poitou-Charentes. Elle est...) explique pour la première fois ce phénomène: la variation de la vitesse (On distingue :) des bateaux piégés en eaux-mortes est due à des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) qui agissent comme un tapis roulant bosselé sur lequel les navires se déplacent d'avant en arrière. Ces travaux sont publiés dans PNAS le 6 juillet 2020.


© Morgane Parisi - www.StudioBrou.com

En 1893, l'explorateur norvégien Fridtjof Nansen fut le témoin d'un étrange phénomène alors qu'il naviguait au nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) de la Sibérie: son bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer, dirigé ou non par ses occupants. Il répond aux besoins du transport maritime ou fluvial, et permet diverses activités telles que le...) fut freiné par une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...) mystérieuse et il eut beau faire des tours et des détours, il ne retrouva pas sa vitesse normale. En 1904, l'océanographe et physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec,...) suédois Vagn Walfrid Ekman a montré, en laboratoire, que des vagues, formées sous la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...), à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) entre la couche d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) salée et la couche d'eau douce constituant la partie supérieure de cette zone de l'océan arctique (L'océan Arctique, ou océan glacial Arctique, s'étend sur une surface de 14 090 000 km², ce qui en fait le plus petit océan. Il recouvre l'ensemble des mers situées entre le pôle Nord et le nord de l'Europe, de l'Asie et de...), interagissaient avec le bateau, jusqu'à le freiner.

Ce phénomène, dit d' "eaux mortes", peut s'observer dans toutes les mers (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) et océans où se mélangent des eaux de différentes densités (à cause de la salinité ou de la température). Il désigne deux phénomènes de résistance observés par les scientifiques. Le premier, le "phénomène de résistance d'ondes internes à la Nansen", amène à une vitesse constante, même si anormalement basse, du bateau. Le second, le "phénomène de résistance d'ondes internes à la Ekman", est caractérisé par des oscillations de la vitesse du bateau piégé, dont l'origine restait obscure. Des physiciens, des mécaniciens des fluides et des mathématiciens de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) Pprime du CNRS et du Laboratoire de mathématiques et applications (CNRS/Université de Poitiers) ont tenté à leur tour de résoudre ce mystère, notamment grâce à une classification mathématique (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures...) de différentes ondes internes et une analyse des images expérimentales sous l'échelle du pixel (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une image numérique. Son nom provient de la locution anglaise picture element, qui signifie « élément...), une première.

Ils ont ainsi montré que ces variations de vitesse sont dues à la génération d'ondes spécifiques qui agissent comme un tapis roulant bosselé sur lequel le navire (Un navire est un bateau destiné à la navigation maritime, c'est-à-dire prévu pour naviguer au-delà de la limite où cessent de s'appliquer les règlements techniques de...) se déplace d'avant en arrière. Les scientifiques ont de plus réconcilié les deux observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) de Nansen et Ekman. Ils ont montré que le régime oscillant d'Ekman n'est que temporaire: le navire finit par s'en échapper, pour atteindre la vitesse constante de Nansen.

Ces travaux s'inscrivent dans un vaste projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) cherchant à comprendre pourquoi, lors de la bataille d'Actium (31 avant J.-C.) les gros bateaux de Cléopâtre ont perdu face aux frêles navires d'Octave. La baie d'Actium, qui présente toutes les caractéristiques d'un fjord, aurait-elle pu piéger les bateaux de la reine d'Egypte dans des eaux-mortes ? Une autre hypothèse à envisager pour expliquer cette défaite retentissante, que l'on attribuait dans l'antiquité aux rémoras, des "poissons-ventouses" collés à leur coque, comme le veut une légende.


Vue du dispositif expérimental. En utilisant des cuves plus larges qu'habituellement, les scientifiques ont montré que le confinement latéral imposé par les dispositifs expérimentaux trop étroits, ou par les ports et les écluses, exacerbe les oscillations dynamiques des bateaux.
© Pprime (CNRS) & LMA (CNRS/Université de Poitiers)


Vue latérale de l'expérience d'eaux-mortes en laboratoire pour une force de traction donnée.
© Pprime (CNRS)

Bibliographie:
The dual nature of the dead-water phenomenology: Nansen versus Ekman wave-making drags.
Johan Fourdrinoy, Julien Dambrine, Madalina Petcu, Morgan Pierre, and Germain Rousseaux.
PNAS, le 6 juillet 2020. DOI: 10.1073/pnas.1922584117.

Contacts:
- Germain Rousseaux - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur...) CNRS - germain.rousseaux at univ-poitiers.fr
- Julien Dambrine - Chercheur Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Poitiers - julien.dambrine at univ-poitiers.fr
- Alexiane Agullo - Attachée de presse CNRS - alexiane.agullo@cnrs.fr
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