Dans une nouvelle Ă©tude publiĂ©e dans Lettres d’examen physiqueles scientifiques explorent comment de petits jets d’eau peuvent crĂ©er des oscillations pĂ©riodiques stables sur un disque solide, dĂ©couvrant un lien entre ces mouvements et les ondes qu’ils gĂ©nĂšrent et fournissant un aperçu de l’interaction dynamique du comportement des fluides.
Un saut hydraulique est un phĂ©nomĂšne qui se produit lorsquâun liquide Ă Ă©coulement rapide rencontre brusquement une rĂ©gion Ă Ă©coulement plus lent ou stagnante. Cette transition soudaine entraĂźne une modification des caractĂ©ristiques de l’Ă©coulement, provoquant la formation d’un saut ou d’une augmentation visible de la hauteur du liquide.
Dans ce processus, lâĂ©nergie cinĂ©tique du liquide Ă Ă©coulement rapide est convertie en Ă©nergie potentielle, entraĂźnant des changements de vitesse et de profondeur dâĂ©coulement. Ce phĂ©nomĂšne est couramment observĂ© dans divers contextes, par exemple lorsqu’un jet de liquide heurte une surface, par exemple dans des riviĂšres ou en aval de barrages.
Des chercheurs français ont étudié un scénario dans lequel un saut hydraulique circulaire subit des oscillations périodiques stables sur un disque solide.
Expliquant la motivation de l’Ă©quipe derriĂšre l’Ă©tude, l’auteur principal AurĂ©lien Goerlinger a dĂ©clarĂ© Ă Phys.org : « Le saut hydraulique est un phĂ©nomĂšne omniprĂ©sent qui semble simple. Cependant, il est contre-intuitif car la nature prĂ©fĂšre les transitions douces aux transitions abruptes.
“Par consĂ©quent, le saut hydraulique est difficile Ă modĂ©liser, bien qu’il ait Ă©tĂ© Ă©tudiĂ© depuis l’Ă©poque de LĂ©onard de Vinci. Comme de nombreux aspects fondamentaux restent Ă comprendre, voire Ă dĂ©couvrir, le saut hydraulique reste un domaine d’Ă©tude actif pour notre Ă©quipe.”
Sauts hydrauliques circulaires et jets d’eau
La configuration expĂ©rimentale de lâĂ©tude impliquait de gĂ©nĂ©rer des sauts hydrauliques circulaires sur un disque solide Ă lâaide dâun jet dâeau submillimĂ©trique.
Les chercheurs ont lancĂ© un jet d’eau submillimĂ©trique, d’un diamĂštre intĂ©rieur de 0,84 mm, dirigĂ© sur un disque de plexiglas avec une surface Ă bord Ă un angle de 90 degrĂ©s positionnĂ©e Ă 1 cm sous le point d’impact.
Ce processus a abouti Ă la formation dâun motif circulaire de discontinuitĂ© oĂč le liquide a Ă©tabli un mince film autour du point dâimpact. Le film mince sâest soudainement Ă©paissi Ă une certaine distance radiale, donnant naissance Ă la forme circulaire caractĂ©ristique du saut hydraulique.
Pour aider Ă visualiser ce phĂ©nomĂšne, Goerlinger a fourni une analogie en dĂ©clarant : « Lorsqu’on ouvre le robinet de sa cuisine et qu’on regarde le fond de l’Ă©vier prĂšs de l’impact du jet de liquide, on peut observer une paroi liquide Ă peu prĂšs circulaire sĂ©parant deux zones distinctes. .
“La zone intĂ©rieure, prĂšs du jet, est peu profonde mais l’Ă©coulement est rapide, tandis que la zone extĂ©rieure est beaucoup plus profonde mais l’Ă©coulement est Ă©galement beaucoup plus lent. Cette paroi liquide est appelĂ©e un saut hydraulique circulaire.”
Les chercheurs ont ensuite varié les paramÚtres expérimentaux, notamment le débit (2 à 3 mL/s) et le rayon du disque (1 à 6 cm). Ils ont observé différents comportements basés sur ces paramÚtres, tels que des sauts stationnaires, des états transitoires avec oscillations, des états bistables avec oscillations périodiques et des oscillations périodiques stables systématiques.
L’analyse a rĂ©vĂ©lĂ© que la pĂ©riode d’oscillation ne dĂ©pendait pas du dĂ©bit mais montrait une dĂ©pendance linĂ©aire du rayon du disque.
Il est intĂ©ressant de noter que pour des rayons de disque supĂ©rieurs Ă 5 cm, les points de donnĂ©es prĂ©sentaient deux tendances linĂ©aires distinctes avec des pentes diffĂ©rentes, indiquant deux modes d’oscillation distincts, que les chercheurs appellent modes fondamentaux et harmoniques.
Interaction entre les sauts hydrauliques et les ondes de gravité
Les chercheurs ont dĂ©veloppĂ© un modĂšle thĂ©orique pour expliquer les oscillations spontanĂ©es stables observĂ©es, suggĂ©rant qu’elles proviennent de l’interaction entre le saut hydraulique et les ondes de gravitĂ© de surface formĂ©es dans la cavitĂ© du disque.
Les ondes de gravitĂ© de surface se propagent le long de la surface du liquide et se reflĂštent au bord du saut hydraulique circulaire. Cette rĂ©flexion contribue Ă l’Ă©tablissement et au maintien des oscillations. De plus, ces ondes seraient amplifiĂ©es lorsquâelles sâalignent sur lâun des modes de la cavitĂ© du disque.
Remarquablement, le modĂšle thĂ©orique des chercheurs explique non seulement les oscillations observĂ©es, mais offre Ă©galement des capacitĂ©s prĂ©dictives. Il prĂ©voyait le couplage de jets distants pour induire des oscillations dans des phases opposĂ©es, un phĂ©nomĂšne confirmĂ© par l’observation expĂ©rimentale.
ConcrĂštement, cela signifie que le flux et le reflux rythmiques dâun jet dâeau pourraient influencer les oscillations de lâautre, crĂ©ant une danse synchronisĂ©e oĂč les pics et les creux dâun jet correspondent inversement Ă ceux de lâautre.
Goerlinger a soulignĂ© l’importance de leurs travaux : « MalgrĂ© des recherches approfondies sur ce phĂ©nomĂšne, le saut hydraulique circulaire s’est avĂ©rĂ© rester stationnaire dans la plupart des cas. Cependant, notre Ă©tude est la premiĂšre Ă signaler des oscillations spontanĂ©es stables du saut hydraulique se produisant lorsque le jet d’impact ” est stable. De plus, nous avons rĂ©ussi Ă construire un modĂšle qui prĂ©dit le comportement de ces oscillations. ”
Applications potentielles et travaux futurs
En modélisant avec succÚs les oscillations périodiques stables, le cadre théorique contribue à une compréhension plus approfondie de la dynamique complexe impliquée dans les sauts hydrauliques.
Cette comprĂ©hension peut avoir des implications dans divers domaines, notamment la dynamique des fluides et les applications d’ingĂ©nierie associĂ©es.
“Les sauts hydrauliques sont d’un grand intĂ©rĂȘt dans les domaines oĂč le refroidissement et le nettoyage des surfaces sont nĂ©cessaires. Ils peuvent Ă©galement trouver leur intĂ©rĂȘt dans les imprimantes Ă grande vitesse ou 3D”, a expliquĂ© Goerlinger.
Goerlinger estime qu’ils ne font qu’effleurer la surface de cette recherche et explique qu’ils envisagent de poursuivre les recherches dans ce domaine.
“Nous n’avons explorĂ© que partiellement la riche physique de ce nouveau phĂ©nomĂšne. Les effets de nombreux paramĂštres expĂ©rimentaux restent Ă Ă©tudier, tels que les propriĂ©tĂ©s des fluides ou la gĂ©omĂ©trie du substrat.
“De plus, nos travaux ouvrent la voie Ă l’Ă©tude des interactions entre de multiples sauts oscillants et des interactions entre les sauts hydrauliques et les vagues en gĂ©nĂ©ral”, a-t-il conclu.
Plus d’information:
AurĂ©lien Goerlinger et al, Oscillations et modes de cavitĂ© dans le saut hydraulique circulaire, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.194001
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Citation: Briser le silence : des scientifiques observent et expliquent les oscillations de sauts hydrauliques circulaires (24 novembre 2023) récupéré le 24 novembre 2023 sur
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