La stabilisation d'un anneau de fluide
Publié par Adrien le 15/10/2019 à 08:00
Source: CNRS INSIS
À cause de leur évanescence, la dynamique des anneaux de fluide et de tourbillons reste encore mal comprise. Des chercheurs du laboratoire Matière et systèmes complexes et du laboratoire de physique de l'École Normale Supérieure de Lyon parviennent à stabiliser un anneau de fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines conditions...), grâce à du mercure. Ces travaux, publiés dans la revue Physical Review Letters, ont déjà permis d'étudier la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et,...) et les fréquences auxquelles ce tore (Le terme tore a essentiellement deux acceptions distinctes, suivant les usages :) de fluide réagit.


© MSC Vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de dessus du motif observé à la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet ou d'une chose.) extérieure d'un anneau de mercure soumis à des vibrations. Le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de lobes augmente avec la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps....) de la vibration (respectivement de gauche à droite, de haut en bas). La zone grise correspond au cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane...) solide central. Diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est...) du tore ~ 4 cm.

Une fois créées, les anneaux liquides deviennent rapidement instables et se fragmentent en gouttelettes. Pour mieux étudier ces tores de fluide, des physiciens du laboratoire Matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) et systèmes complexes (MSC, CNRS/Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre...) Diderot) et du laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de...) de l'École Normale Supérieure de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard/ENS Lyon) ont réussi à stabiliser un anneau de fluide. Ils ont pour cela injecté autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter,...) d'un cylindre solide du mercure, un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) qui ne mouille pas les parois comme le ferait de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).

Cette nouvelle technique stabilise l'anneau de liquide et a ainsi permis de mesurer pour la première fois les fréquences de résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence propre du...) d'un tore de fluide soumis à des vibrations. Des oscillations apparaissent en effet à la périphérie extérieure de l'anneau liquide, induisant des motifs en forme de lobes amplifiés à certaines fréquences dites de résonance. Les observations des chercheurs coïncident avec un modèle existant qu'ils ont adapté pour un tore, et leur permettent également de remonter jusqu'à des propriétés géométriques de l'anneau. Les chercheurs comptent à présent ajouter un écoulement à l'intérieur de l'anneau de fluide, produisant ainsi un anneau de tourbillon. On en retrouve dans les anneaux de bulles sous-marines, de fumée (La fumée, parfois appelée boucane en Amérique du Nord, est un nuage de particules solides émis par un feu ou un échauffement mécanique. Ces particules sont principalement de la suie (du carbone imbrûlé),...), ou même dans le sang (Le sang est un tissu conjonctif liquide formé de populations cellulaires libres, dont le plasma est la substance fondamentale et est présent chez la...) lors du passage dans le coeur. Des cas qui concernent des domaines comme les plasmas, la biophysique (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observations des phénomènes physiques sont appliqués aux molécules d'intérêt biologique.) ou encore la géophysique.


© MSC Vue de dessus du motif observé à la périphérie extérieure d'un anneau de mercure soumis à des vibrations

Références:
Observation of the Resonance Frequencies of a Stable Torus of Fluid.
C. Laroche, J.-C. Bacri, T. Jamin and E. Falcon.
Physical Review Letters 123, 094502 (2019)
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.094502.
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