Ces maillons qui forment les filets d’eau : la physique du liquide revisitée

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Le phénomène est des plus banals, observable par tout un chacun au quotidien, et pourtant il vient seulement de trouver une description complète dans un article de Physical Review Fluids, signé le 11 octobre par une équipe néerlandaise de l’université d’Amsterdam. Il s’agit de comprendre pourquoi le filet d’eau d’une bouteille ne s’écoule pas selon un cylindre bien lisse, mais se boursoufle à intervalles réguliers, adoptant la forme d’une succession de maillons d’une chaîne liquide. Plus le débit est fort, plus les maillons sont espacés. Et plus le goulot est gros, plus ces maillons sont larges.

L’explication est connue depuis plus d’un siècle, grâce à d’éminents physiciens. Lord Rayleigh (Nobel en 1904 pour tout autre chose) a montré qu’un jet liquide est instable et qu’il finit par se casser en gouttes. Niels Bohr, Nobel en 1922 pour ses apports à la mécanique quantique (inutile en l’espèce), a lui, pendant son master en 1909, expliqué comment l’instabilité de Rayleigh crée les chaînes liquides, si la buse d’écoulement n’est pas symétrique.

La raison vient de la tension de surface, cette force qui relie les molécules d’eau entre elles, au point d’arriver à soutenir des grains de poivre ou des araignées d’eau. Ces forces cherchent à minimiser la surface liquide en contact avec l’air. Ainsi, si la forme de l’écoulement est dissymétrique au départ, comme un ovale (ou ellipse), les forces tendent à l’arrondir, jusqu’à ce que l’ovale et les forces dominantes changent d’orientation. Et ainsi de suite, donnant naissance à une chaîne liquide.

Des recherches qui visent à améliorer la fabrication des sprays ou des imprimantes à jet d’encre, par exemple

« Le plus dur a été de réaliser un écoulement sans turbulence et laminaire. Voir, sur un mètre de haut, une vingtaine de maillons, c’est très beau », souligne Daniel Bonn, professeur à l’université d’Amsterdam. L’équipe a multiplié les formes grâce à une douzaine de buses plus ou moins elliptiques.

Conclusion : Niels Bohr avait raison. Mais les chercheurs sont allés plus loin que leur aîné en considérant plusieurs modes d’action des forces de tension de surface. Elles peuvent en effet « pincer » en deux points (comme dans l’explication de Bohr) ou en trois, quatre, cinq… Des simulations numériques complètes ont permis de décrire précisément les formes du jet, dont certains détails ne s’expliquent que par l’effet de plusieurs modes d’action des forces de surface. « Même si le problème est classique, il n’y a pas eu beaucoup de travail dessus, car contrôler et mesurer ces écoulements est difficile. Ce travail montre des progrès significatifs dans ce domaine », estime Jens Eggers, de l’université de Bristol.

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