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Le saut hydraulique : un phénomène d’eau qui “monte” enfin résolu

Crédits : Zeimusu / Common Files Wikipédia

Un phénomène que de Vinci avait observé, mais n’avait pas pu résoudre, a dû attendre 5 siècles pour trouver une explication satisfaisante. Dans votre cuisine, quand vous ouvrez le robinet et regardez dans votre évier, vous observez sans le savoir un saut hydraulique. Ce phénomène était resté sans interprétation depuis les 5 siècles qui nous séparent du peintre et inventeur italien.

C’est quoi un saut hydraulique ?

Lorsque l’eau frappe la surface de l’évier, vous observez l’apparition d’un disque. La couche d’eau est très fine et s’écoule très rapidement. Ce disque très fin est entouré par un anneau plus épais d’eau turbulente. Le saut hydraulique désigne le moment où l’eau « monte » pour former ce cercle plus épais.

Ce n’est pas une histoire de gravité

Pendant des siècles, des mathématiciens se sont creusé la cervelle et cassé les dents pour expliquer ce phénomène. La quasi-totalité des équations et des théories connues se basait sur le rôle majeur de la gravité.

L’auteur principal de la nouvelle étude concernant le saut hydraulique est candidat au doctorat au département de génie chimique et de biotechnologie de l’Université de Cambridge en Angleterre. Il se nomme Rajesh K. Bhagat. Lui et son équipe sont partis du principe que si personne n’était d’accord en utilisant la gravité comme force majeure du phénomène, peut-être qu’elle n’avait justement pas un rôle majeur.

Pour écarter définitivement la gravité, Rajesh K. Bhagat et son équipe ont effectué une expérience simple. Frapper une surface plane et horizontale avec un jet d’eau pour créer un saut hydraulique classique. Ensuite, ils ont incliné la surface de différentes manières de sorte qu’à la fin, le jet d’eau heurtait un plafond. Pour être sûrs de ne rien louper, ils ont filmé le saut hydraulique à l’aide d’une caméra capable de prendre énormément d’images par seconde.

Dans tous les cas, le saut hydraulique s’est déroulé de la même façon : la couche mince et rapide était de la même taille, quelle que soit l’orientation de la surface. Si la gravité avait provoqué les sauts, l’eau aurait été « déformée » lorsque la surface n’était plus plane. Rajesh K. Bhagat a dit en conclusion que « cette expérience simple prouve que la gravité n’est pas la cause du phénomène ».

Mais alors, qu’est-ce qui provoque ce cercle épais ?

La viscosité

Voici les différentes définitions de la viscosité selon le dictionnaire Larousse :

  • État de ce qui est visqueux, gluant.
  • Résistance d’un fluide au glissement d’une couche par rapport à une autre.
  • Lenteur d’adaptation des phénomènes économiques les uns aux autres.
  • Propriété physique d’un fluide, impliquant une relation entre les contraintes et les vitesses de déformation.

Par exemple, si vous versez de l’eau dans un verre et dans un autre de la mayonnaise, vous verrez une différence dans l’écoulement et à l’atterrissage. Si vous attendez 5 minutes, l’eau sera devenue calme et plate tandis que la mayonnaise aura toujours la forme initiale. Toutes ces différences s’expliquent notamment grâce à la différence du niveau de viscosité.

Lors de l’expérience menée par Rajesh K. Bhagat, le liquide utilisé était 25 % plus visqueux que de l’eau pure.

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Crédits : Common Files Wikipédia

La tension superficielle

Vous avez déjà vu un verre rempli, mais qui ne déborde pas ? Il se forme à son sommet une sorte de dôme. Celui-ci dépasse du sommet du verre, et pourtant l’eau ne s’écoule pas. La tension superficielle, c’est la matière qui change d’état à sa surface pour « économiser » de l’énergie. C’est pour cela qu’un dôme se forme au sommet du verre, ou bien qu’une goutte d’eau peut se former.

Toujours dans son expérience, Rajesh K. Bhagat avait un fluide plus visqueux, mais avec une tension superficielle trois fois plus faible.

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Crédits : Pixabay

Les conclusions

« Cela a permis aux chercheurs d’isoler l’influence de chaque force », a déclaré à LiveScience Ian Wilson, auteur principal de l’étude et également professeur à l’Université de Cambridge. Les auteurs ont pu déterminer que le saut se produit à l’endroit où les forces de la tension de surface et de la viscosité s’ajoutent et équilibrent l’élan du jet liquide.

À quoi va servir cette découverte ?

Selon les auteurs, des applications seraient possibles dans le domaine du nettoyage industriel, et pour augmenter les performances des systèmes de refroidissement.

Sources : Journal of Fluid Mechanics – LiveScience

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