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Mécanique des fluides

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La vidéo du jour parle d’un sujet étonnamment controversé : le vol des avions !

https://www.youtube.com/watch?v=r-ESaj_4ujc

Bernoulli et Newton sont dans un octogone

Peut-être aurez vous été surpris d’apprendre qu’il existait de féroces débats sur les phénomènes à l’origine de la portance. J’avoue que moi-même je l’ai été quand je me suis intéressé pour la première fois à ces questions, il y a quelques années. En particulier la controverse Bernoulli vs Newton me paraissait pour le moins étonnante, vu que les deux explications me semblaient parfaitement raisonnable.

Une petite vidéo estivale, en forme de retour de vacances

https://www.youtube.com/watch?v=1Uhbki–UPw

Malheureusement, les vacances ne m’ont pas laissé le temps d’écrire un billet de blog aussi complet que je l’aurai voulu sur ce beau sujet. Je vais quand même donner quelques compléments…en m’appuyant sur de vieux billets !

Chaque jour, ce sont près de 100 000 avions qui prennent les airs pour transporter des millions de passager [1]. Et pourtant, à en croire certains, on ne comprend pas complètement comment fait un avion pour voler. Vraiment ?

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Il faut dire que si l’on cherche à se renseigner un peu sur les raisons physiques qui gouvernent la capacité des avions à rester en l’air, on tombe sur tout un tas de théories, plus ou moins critiquées, plus ou moins contradictoires. Dans un article consacré à cette question, le New York Times écrivait [2] :

Pour ceux qui ont peur de l’avion, il est probablement déconcertant que les physiciens et les ingénieurs aéronautiques en soient encore à débattre la raison fondamentale qui maintient les avions en l’air ? « Il n’y a pas de réponse simple à cela », d’après le Dr. Anderson.

Si on creuse un peu, on découvre qu’il existe notamment deux grandes explications concurrentes : celle « à la Bernoulli », et celle « à la Newton ». Elles n’ont pas été formulées par ces deux physiciens, mais se basent sur leurs lois respectives. Et il arrive que les tenants des deux camps se bagarrent avec ferveur pour savoir qui a plus raison que l’autre.

Je me suis souvent demandé comment on pouvait tolérer une telle situation, s’agissant d’une des technologies les plus importantes de notre temps ? Est-ce que vraiment on ne comprend pas exactement comment les avions volent ? Ou est-ce juste qu’on arrive pas à le vulgariser ?

Eh bien j’ai décidé de creuser la question pour vous ! Et en avant pour une tentative de réconciliation sur ce sujet hautement controversé…

libelluleQuand on parle du développement de l’aéronautique, on évoque généralement le fait que « de tout temps les hommes » ont toujours été fascinés par la capacité des oiseaux à voler. Mais c’est oublier que les insectes avaient inventé le vol longtemps avant les oiseaux !

Bien que le spectacle soit moins majestueux, il faut reconnaitre que les insectes sont encore plus forts que les oiseaux, j’en veux pour preuve la difficulté qu’il y a à attraper des mouches ou à écraser des moustiques.

Et pourtant si on s’en réfère aux lois classiques de l’aérodynamique, les insectes ne devraient pas pouvoir voler ! S’ils y arrivent quand même, c’est que leur vol se base sur des principes physiques assez différents de ceux qui gouvernent un Airbus ou un corbeau.

Jet turbulentL’équation de Navier-Stokes est l’une des plus importantes de toute la physique. Si elle n’a pas la chance d’être aussi connue que E=mc2, elle nous sert pourtant à prédire la météo, simuler les océans, optimiser les ailes des avions et même améliorer le réalisme des jeux vidéos.

Bien qu’elle fut établie au XIXème siècle, elle continue de fasciner les ingénieurs, les physiciens et même les mathématiciens. Il faut dire qu’on a promis 1 million de dollars à celui qui percerait les mystères de l’équation de Navier-Stokes. Un exploit récemment revendiqué par un mathématicien kazakh, et dont on verra ce qu’il faut en penser.

explosion bombe atomiqueLe 16 juillet 1945, l’armée américaine fit exploser pour la première fois une bombe atomique dans le désert du Nouveau-Mexique. Quelques années plus tard, le gouvernement décida de publier les photos de l’explosion, montrant le fameux champignon devenu depuis le symbole de l’arme nucléaire.

A part les photos, très peu de détails avaient été donnés sur la bombe, et bien évidemment la puissance de l’explosion relevait du secret défense. Mais pas de bol, un petit malin a montré qu’avec une seule photo et quelques lignes de physique élémentaire, on pouvait recalculer la puissance de la bombe !

sonoluminescenceIl est fréquent que l’on compare le son et la lumière. Il est vrai que ce sont tous les deux des phénomènes mettant en jeu des ondes, et qu’ils correspondent à deux de nos cinq sens. Et pourtant leurs principes physiques sont très éloignés, comme en témoigne le fait que la lumière se propage 1 million de fois plus vite que le son.

Malgré des différences fondamentales, il existe un mécanisme étonnant qui permet de convertir le son en lumière : la sonoluminescence.

Ce phénomène peut être mis en évidence en envoyant des ultrasons dans un simple récipient rempli d’eau. Et pourtant il fait intervenir des températures gigantesques que l’on retrouve habituellement plutôt dans les étoiles que dans les salles de TP.

Hero_of_AlexandriaJ’espère que vous connaissez déjà tous Kidi’Science, le blog collaboratif créé et animé par des membres du C@fé des Sciences pour promouvoir la découverte de la science par les plus jeunes.

J’ai déjà eu l’occasion d’y écrire deux billets dans la catégorie « Expériences à la maison« , pour apprendre à faire pousser des cristaux de sel, ou à faire une crème glacée en quelques minutes. Aujourd’hui je vous propose un autre billet issu des expériences que je réalise avec mes filles : la fontaine de Héron. Bien sûr, je vous encourage à aller lire tout cela directement sur le site de Kidi’Science !

Au départ de cette expérience, ma fille voulait faire une fontaine dans le jardin. Mais je lui ai expliqué que mettre une pompe électrique tout ça tout ça … c’était compliqué ! C’est alors que je me suis souvenu d’une démo que mon prof de physique de seconde nous avait faite, et dont je ne suis pas sûr que je l’aie véritablement comprise à l’époque.

C’est le montage que je vous propose de faire aujourd’hui ! Il a été inventé il y a 2000 ans par le savant grec Héron d’Alexandrie, et il permet de faire fonctionner une petite fontaine, sans pompe ni électricité  (ce qui tombe bien puisque cette dernière n’avait bien sûr pas été découverte à l’époque).

clepsydre fort boyard« La clespydre, Roger ! La clepsydre !…Sors !… Sors, bordel ! »

Voilà qui sans nul doute évoquera de bons souvenirs aux fans de l’émission « Les clés de Fort Boyard ». Je crois d’ailleurs avoir découvert le mot « clepsydre » à cette occasion.

Alors la clepsydre est-elle un simple sablier avec de l’eau ? Eh bien non ! Il s’avère qu’il est beaucoup plus facile de mesurer le temps avec du sable qu’avec de l’eau, et pourtant la physique de l’écoulement du sable est affreusement complexe !

Comprendre comment coule le sable paraît futile, mais c’est en réalité un sujet d’importance capitale en géophysique et dans certains procédés industriels. La physique des « écoulements granulaires » est justement un domaine dans lequel plusieurs équipes françaises ont fait des avancées importantes ces dernières années.

Lac de laveConnaissez-vous la structure de la Terre ? Pour ma part, je pensais avoir une idée raisonnable sur cette question, mais je me suis rendu compte en préparant ce billet que quelques unes de mes conceptions étaient totalement fausses !

J’ai aussi été frappé par le nombre de choses que l’on peut apprendre sur ce qu’il y a à l’intérieur de notre planète, alors que contrairement aux héros de Jules Verne, nous n’y avons jamais mis les pieds !

Alors croûte, manteau et noyau : voyons ce que l’on sait actuellement de la structure interne de notre bonne vieille Terre.