Aide à la Physique Chimie au Lycée

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Des ondes aux formes inédites

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Des ondes aux formes inédites

http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actualite-des-ondes-aux-formes-inedites-31209.php

Les interactions non linéaires d'ondes de grande amplitude à la surface d’un liquide très visqueux créent des motifs de vibration spectaculaires et encore jamais observés.

Sean Bailly
J. Rajchenbach et al.

Les vibrations verticales de forte amplitude d'un récipient contenant de l’huile de silicone font apparaître des formes pentagonales, dues à des phénomènes non linéaires.

J. Rajchenbach et al.

Pour en savoir plus

J. Rajchenbach et al., Observation of star-shaped surface gravity waves, Phys. Rev. Lett., vol. 110, 094502, 2013.

M. Porter et al., Des chaînes d'atomes aux solitons, Pour la Science, n° 384, octobre 2009.

Les différentes ondes observées, sur le site de Jean Rajchenbach.

 

Pour la Science n° 409
novembre 2011
L'univers des ondes

L'auteur

Sean Bailly est journaliste à Pour la Science.

Les ondes à la surface d'une tasse de café ou de n'importe quel liquide contenu dans un récipient dessinent habituellement des motifs bien connus, qui trahissent les différents modes de vibration permis par la forme du contenant. Jean Rajchenbach, Didier Clamond et Alphonse Leroux, de l’Université de Nice-Sophia Antipolis, viennent pourtant de mettre en évidence, dans un récipient rempli d’huile de silicone, des ondes aux formes étonnantes : elles dessinent des étoiles et des pentagones. Un mécanisme d’interaction non linéaire (c’est-à-dire où les effets ne sont pas proportionnels aux causes) de plusieurs ondes est certainement à l’origine de ce phénomène.

Les chercheurs ont fait vibrer verticalement une cuve cylindrique contenant de l’huile de silicone, un liquide dix fois plus visqueux que l’eau. Dans un premier temps, la fréquence de vibration était fixée et l’amplitude augmentait progressivement. De petites ondulations circulaires apparaissent alors, qui se propagent du bord vers le centre en s’amortissant assez vite. Puis, quand l’amplitude est plus forte, deux ondes solitaires concentriques se forment, l’une se propageant vers le centre et l’autre vers le bord. Ce phénomène rappelle celui des solitons, des ondes cohérentes qui se propagent sans se déformer, observées par exemple sous la forme de vagues solitaires qui remontent le long de certains cours d’eau. Au moment où les deux ondes se croisent, elles s'immobilisent pendant cinq centièmes de secondes, un phénomène aussi observé quand deux solitons se rencontrent.

Quand l’amplitude des oscillations augmente encore, il se forme cinq angles dans la ligne de crête du croisement des ondes. Ainsi, la symétrie de rotation qui régnait jusque-là se brise. Enfin, en augmentant encore l’amplitude, on obtient, en alternance dans le temps, un pentagone et une étoile à cinq branches.

Pourquoi de telles ondes n’ont-elles jamais été observées auparavant ? Dans cette expérience, l’amplitude des vibrations est très importante : jusqu'à deux fois la profondeur moyenne du liquide. Dans les creux, l'épaisseur du fluide peut se réduire à seulement un millimètre. Il s’agit donc d’un régime extrême, où les non-linéarités, dues notamment à l’interaction du fluide avec le fond du récipient, sont fortes.

Le plus étonnant dans ces motifs d'ondulation est la brisure de la symétrie de rotation. Les puissantes non-linéarités déstabilisent sans doute cette symétrie, ce qui engendrerait les pentagones et les étoiles. Mais une modélisation précise reste à établir.

Les physiciens obtiennent d’autres structures intrigantes en modifiant les paramètres d’excitation. Enfin, le phénomène présente une certaine mémoire : la forme obtenue ne dépend pas uniquement de la fréquence, de l’amplitude et de la profondeur du liquide, elle dépend aussi des ondes précédentes qui se sont propagées…

Mise à jour le Mercredi, 20 Mars 2013 08:43