Une sphère métallique s'élevant dans l'eau. Crédit :Le Splash Lab
C'est un jeu de piscine commun :forcez une balle flottante sous l'eau et laissez-la partir. La balle remonte à la surface et saute dans les airs. Mais, immerger la balle plus profondément sous l'eau et l'effet est souvent décevant. Contrairement à notre intuition, l'augmentation de la profondeur de libération conduit souvent à une hauteur de pop-up réduite.
Cette simple question de la dynamique des fluides a intrigué les physiciens pendant des décennies, mais une nouvelle étude publiée le 1er novembre dans Liquides d'examen physique , offre une nouvelle perspective sur le phénomène et peut clarifier des sujets liés à la dynamique de sortie de l'eau et à l'ingénierie océanique.
Une équipe de chercheurs de l'Utah State University, Le Dartmouth College et l'Université Brigham Young ont utilisé l'imagerie à grande vitesse et la vélocimétrie par images de particules pour décrire pourquoi les sphères flottantes montant à travers un fluide ne se comportent pas toujours comme nous l'attendions.
"La hauteur du pop-up dépend de la vitesse de la sphère au point où elle franchit la surface libre, " a déclaré l'enquêteur principal et professeur adjoint de génie mécanique à l'USU, Tadd Truscott. "Peu importe la profondeur de la balle lorsqu'elle est lancée. Il y a un certain nombre de facteurs qui affectent sa vitesse et sa trajectoire jusqu'à ce qu'elle atteigne la surface."
Lors de l'ascension, des structures de sillage et de vortex se forment souvent autour de la sphère. La formation de vortex asymétrique et les formations de sillage peuvent altérer le mouvement ascendant d'une sphère et entraîner une trajectoire non linéaire. Les auteurs démontrent que les sphères montantes appartiennent généralement à l'une des deux catégories d'accélération :1) un régime vertical, ou 2) un régime oscillatoire.
"Le régime vertical présente une trajectoire sous-marine presque verticale et se traduit par les plus grandes hauteurs de pop-up, " explique Brenden Epps, professeur adjoint d'ingénierie à Dartmouth et co-auteur de l'étude. "Le régime oscillatoire présente une trajectoire avec des mouvements latéraux périodiques et entraîne des hauteurs de pop-up plus faibles. Parfois, la balle peut même percer la surface et la parcourir plutôt que de s'élever dans les airs."
Pour tester le comportement de la sphère montante, les chercheurs ont immergé des billes d'acier inoxydable dans un réservoir d'essai à différentes profondeurs et les ont maintenues en place à l'aide d'une ventouse reliée à un mécanisme de libération du vide. Après un temps d'attente suffisant pour permettre à l'eau de devenir calme, la ventouse a libéré la sphère tandis que quatre caméras synchronisées à grande vitesse ont enregistré son ascension.
Au total, 664 tests ont été effectués en utilisant quatre billes de diamètres et de profondeurs de largage variables. Comme prévu, les hauteurs de pop-up maximales se sont produites lorsque les sphères ont été libérées à de faibles profondeurs. Les hauteurs de pop-up les plus basses se sont produites lorsque les sphères ont été libérées de plus grandes profondeurs.
Mais la conversation ne s'arrête pas là. Une partie du problème de hauteur de pop-up dépend également de ce qui arrive à la sphère au point de rupture de surface.
Comme prévu, sphères libérées de plus grandes profondeurs, présentent des hauteurs de pop-up inférieures. Crédit :Splash Lab.
"Une fois que la sphère a nettoyé la surface, la seule force agissant sur elle est la gravité, " Truscott a ajouté. " Ainsi, la hauteur du pop-up est déterminée par un transfert d'énergie cinétique à l'énergie potentielle de la sphère après avoir dégagé la surface. Cependant, la vitesse (et donc l'énergie cinétique) de la sphère après avoir franchi la surface est dictée à la fois par la vitesse à laquelle elle se rapproche de la surface (fixée par la dynamique sous-marine) et par le changement de vitesse lors de la brèche.
Les auteurs disent que leur étude a un large éventail d'applications. Une meilleure compréhension de la dynamique de sortie de l'eau, ils expliquent, peut être utile en génie maritime et en biologie marine.
"Les pingouins sortent de l'eau après une chasse ou pour éviter les prédateurs, " écrivent-ils. " Il a été émis l'hypothèse que les manchots empereurs utilisent des bulles libérées de leurs plumes pendant l'ascension afin de réduire la traînée et d'augmenter la vitesse de sortie et la hauteur de pop-up. ... D'autres applications importantes de l'effet pop-up incluent la sortie de véhicule sous-marin, structures marines flottantes et convertisseurs d'énergie houlomotrice."
