Image volumétrique d'un vortex hélicoïdal traversant un anneau de vortex dans l'eau, avec des traces de taches de teinture superposées dans des couleurs chaudes. Crédit :William Irvine/Université de Chicago
Les physiciens de l'Université de Chicago travaillant dans le domaine naissant de la dynamique expérimentale des vortex ont, avec l'aide inattendue d'un marqueur Sharpie, réalisé les premières mesures d'une propriété insaisissable mais fondamentale de l'écoulement des fluides.
Jusqu'à maintenant, il n'y avait aucun moyen en laboratoire de mesurer l'hélicité totale, ou la mesure du moment où deux anneaux de vortex s'entrelacent. Dans leurs expériences, l'équipe d'UCicago a créé des tourbillons à noyau mince - les types que l'on trouve dans les sillages d'avions et le vol d'insectes - en produisant des hydroptères à l'aide d'une imprimante 3D.
Par chance, le marqueur Sharpie rouge utilisé pour étiqueter les hydroptères contenait un colorant rhodamine, qui émettait une fluorescence lorsqu'il était illuminé par la lumière laser. Lorsque les hydroptères ont été placés dans un réservoir d'eau, le colorant a commencé à se diffuser, et quand l'hydroptère a été accéléré, le colorant a été aspiré au cœur du vortex nouvellement créé, un processus enregistré par tomographie à balayage laser à haute vitesse.
Les nouvelles découvertes, publié le 3 août dans Science , sont les premiers à montrer que l'hélicité maintient une valeur constante lors de l'écoulement des fluides visqueux. La dynamique des vortex a des applications importantes dans la vie quotidienne; météorologues, par exemple, considérer l'hélicité comme un facteur qui contribue à la formation de tornades supercellulaires.
"Le fait que nous ayons pour la première fois des mesures qui montrent que l'hélicité peut être préservée, surtout en présence d'étirements, peut se traduire directement par ces efforts, " dit William Irvine, professeur agrégé de physique, qui a publié les résultats avec quatre co-auteurs.
Rebondissements
Dans leurs dernières recherches, les physiciens ont étudié trois formes d'hélicité apparentées :la torsion, liaison et contorsion. Les trois formes sont simplement des manières différentes de décrire des formes géométriquement liées qui ont été tordues ou étirées. Chaque tube vortex peut être visualisé comme un faisceau de filaments, semblables à ceux liés ensemble dans une corde torsadée.
"Si vous prenez un morceau de corde ou un cordon téléphonique et que vous l'enroulez, alors nous dirions que le centre de cette corde ou de ce cordon téléphonique se tord, " dit Irvine. " Et si nous prenions ensuite cette chose que nous enroulions et que nous la tirions tout droit, vous verriez une torsion sur toute sa longueur."
