La surprenante rotation de la mousse dans un verre de bière
Publié par Redbran le 13/10/2018 à 12:00
Source: CNRS-INSIS
Si les verres et les tasses tournent, c'est au nom de la science ! Des chercheurs des laboratoires Fluides, automatique et systèmes thermiques et Laboratoire d'informatique pour la mécanique et les sciences de l'ingénieur ont ainsi étudié la rotation de la mousse dans de la bière ou du café. Leur vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un...) montre un étonnant mouvement en sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) par rapport au liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). Publiés dans la revue Europhysics Letters, ces travaux mettent en évidence de manière surprenante les limites de certaines approximations souvent effectuées en mécanique des fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides c'est-à-dire des liquides et des gaz lorsque ceux-ci subissent des forces ou des contraintes. Elle est actuellement étendue à des écoulements solides...).


Schéma: Un verre de bière (ou tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) autre liquide couvert d'une fine couche de mousse) est mis en mouvement de translation circulaire. Lorsque l'on visualise la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) par le haut en "time-lapse" (une image par période), on constate que la mousse tourne parfois dans le sens du mouvement du verre, et parfois dans l'autre sens.
Photo: Bulles couvrant la surface du liquide.

En agitant un verre pour aérer un vin avant dégustation, on crée une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) de surface en propagation circulaire accompagnée d'une rotation du 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...) dans la même direction que la vitesse de phase (Une onde est une perturbation qui se déplace dans un milieu. Il est possible de lui associer deux vitesses d'onde.) de l'onde. De plus, un mouvement de recirculation vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) amène le vin vers la surface, le mettant ainsi en contact avec l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de...). Mais si on réalise cette expérience simple avec un verre de bière ou une tasse de café expresso, surprise?! Si l'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.) reste faible et que la couche de mousse demeure fine, cette dernière tourne alors en sens inverse du liquide.

Des chercheurs du laboratoire Fluides, automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements théoriques les...) et systèmes thermiques (FAST, 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 les confluents de la Marne et de...) Sud) et du Laboratoire d'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement...) pour la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission,...) et les sciences de l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à la mise en œuvre de produits, de...) (LIMSI, CNRS) ont capturé ce phénomène surprenant en vidéo afin de l'étudier. Il est provoqué par une compétition subtile entre la rotation du liquide et la friction de la couche de mousse avec le bord, ce qui induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force...) un couple de 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 (cf. les articles...) de signe négatif. La mousse au centre réagit alors comme un engrenage et tourne donc sur elle-même en sens inverse.

Or ce comportement se rapproche plus de la mécanique des solides que de celle des fluides. Au-delà de leur caractère amusant, ces travaux montrent l'influence de l'état de surface dans les écoulements à surface libre: dans ce cas le fluide n'est sensible qu'aux forces perpendiculaires à la surface, telles que la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.). La présence de mousse, ou même de simples impuretés, de concentration négligeable dans le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) mais qui peuvent s'accumuler en surface, modifie profondément le comportement du système en le rendant également sensible aux forces tangentielles, de nature "?solide?". Les chercheurs soulignent donc que l'approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être utile. Bien qu'une approximation soit le plus...), courante, qui consiste à considérer ces systèmes comme de purs écoulements à surface libre ne permet pas de les décrire correctement.


Références publication:
Counter-rotation in an orbitally shaken glass of beer,
F. Moisy, J. Bouvard and W. Herreman
EPL, (2018)
DOI: 10.1209/0295-5075/122/34002

Contact chercheur:
Frédéric MoisyFAST
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