L'eau arrêtera facilement une balle, mais cela ne peut pas empêcher une balle de s'enfoncer dans une bulle.

C'est le résultat remarquable d'une série d'expériences qui ont montré pour la première fois des objets s'enfonçant dans l'eau avec une traînée proche de zéro, prouver enfin une théorie du 18ème siècle en physique.

Les nageurs en font l'expérience, les poissons ont fait évoluer leurs formes épurées pour le minimiser, les navires en sont ralentis, et les sous-marins utilisent de grandes quantités d'énergie pour le vaincre. La traînée ralentit tout dans l'eau, et l'enlever est le Saint Graal de la mécanique des fluides.

Des améliorations de seulement 5 ou 10 pour cent de réduction de traînée peuvent avoir un impact majeur sur l'efficacité énergétique et la vitesse, mais que se passe-t-il si vous réduisez la traînée de 1000 % ?

Une équipe de chercheurs de l'Université de Melbourne, Kind Abdullah University of Science and Technology Arabie saoudite, et l'Institute of High Performance Computing de Singapour l'ont déchiffré. Leurs conclusions sont publiées dans la revue Avancées scientifiques .

L'expérience semble simple. Déposez une boule de métal de 2 centimètres de large dans une piscine profonde. La boule forme une grosse bulle de gaz en forme de larme allongée autour d'elle, puis la boule et la bulle coulent ensemble. Faites le calcul et il s'avère que cette balle subit dix fois moins de traînée qu'un objet solide de même forme.

ça a l'air simple, mais ce n'est pas le cas. Cette expérience nécessite un ensemble de conditions très particulier, et l'équipe a passé des années à comprendre sa base théorique.

Cela commence par le ballon, ou pour être précis, deux balles.

"Il y a deux façons de créer ces couches de gaz, " dit le professeur Derek Chan, un mathématicien de l'Université de Melbourne, et l'un des responsables de l'étude.

"La première consiste à chauffer une sphère métallique à très haute température, et la seconde consiste à utiliser une surface superhydrophobe.

« Pour la première, nous chauffons la balle à 400 degrés Celsius, et nous chauffons l'eau à 95 degrés Celsius – juste en dessous de son point d'ébullition.

"Lorsque la balle touche l'eau, elle fait bouillir une petite quantité d'eau immédiatement autour d'elle, créant une couche de vapeur d'eau. À la bonne combinaison de températures de balle et d'eau, cette couche devient stable, donc la balle est complètement enfermée dans le gaz. Nous appelons cela un état de Leidenfrost."

C'est la version "à l'envers" du phénomène que la plupart des cuisiniers verraient régulièrement lorsqu'ils ajoutent de petites quantités d'eau dans une casserole très chaude, et les gouttelettes d'eau glissent sur la casserole, car ils sont surélevés par un film de vapeur soutenu par la surface chaude.

Le deuxième type de balle fonctionne en repoussant l'eau qui l'entoure. Hydrophobe signifie littéralement « détester l'eau ». Pensez à l'eau qui perle et coule sur une veste Goretex. Et quand quelque chose est superhydrophobe, cette haine est profonde.

La boule est enduite d'un produit appelé Glaco Mirror Coat Zero, il est en fait vendu sous forme de revêtement hydrofuge à vaporiser pour les rétroviseurs extérieurs des voitures. Il est si efficace pour repousser l'eau que, dans les bonnes conditions, la balle maintient une couche de gaz entre elle et l'eau même lorsqu'elle est complètement immergée.

"L'avantage du revêtement superhydrophobe est qu'il fonctionne dans l'eau à température ambiante, " dit le professeur Chan.

Dr Ivan Vakarelski et professeur Sigurdur Thoroddsen, qui dirigent la partie Université King Abdullah de l'équipe, dire qu'il existe de nombreuses façons de réduire la traînée.

"Les fossettes sur les balles de golf en sont un exemple, tout comme le motif sur la peau d'un requin, " dit le Dr Vakarelski.

"Lâcher des bulles d'air devant un objet se déplaçant dans l'eau peut réduire considérablement la traînée, tout comme l'utilisation d'une surface hydrophobe."

Le professeur Thoroddsen dit que l'idée derrière toutes ces stratégies est de changer la façon dont le fluide - comme l'eau ou l'air - circule autour de l'objet, particulièrement juste à côté de l'objet, à ce qu'on appelle la couche limite.

« Dans nos expériences précédentes, nous avons des couches de gaz stables autour de ces boules, mais ils avaient moins de 1 millimètre d'épaisseur, " il dit.

« Cela a permis de réduire la traînée de 10 ou 20 %, mais ce n'était pas assez, nous avons donc commencé à réfléchir à des moyens de créer une plus grande bulle autour de ces boules. »

Ils ont commencé à laisser tomber les balles de différentes hauteurs, et trouvé qu'à juste la bonne plage de hauteurs, une grande cavité de gaz a été créée autour de la balle, et cette forme a été maintenue pendant que la balle s'enfonçait dans l'eau.

Le Dr Evert Klaseboer de l'Institute of High Performance Computing et le professeur Chan qui a effectué l'analyse théorique et la modélisation sont enthousiasmés par la façon dont cette découverte a pris un concept purement théorique et l'a rendu réel.

"Il y a une théorie bien connue dans ce domaine, que la force de traînée sur un objet idéal, avec une surface antidérapante, tombera à zéro, " dit le Dr Klaseboer.

"C'est le paradoxe bien connu de d'Alembert et notre résultat est une réalisation du 21ème siècle d'un résultat théorique du 18ème siècle.

"Dans l'étude de la dynamique des fluides, nous avons toujours utilisé une sphère hypothétique parce que nous n'avons pas été en mesure de créer un objet avec une surface glissante - jusqu'à présent.

"Le mouvement des balles, comme la balle de golf susmentionnée, est impossible à prédire avec une formule mathématique à cause de l'action chaotique de la turbulence, mais la sphère dans la cavité n'a pas de turbulence et peut être décrite par des équations très simples. Cela pourrait devenir un exemple classique de certaines théories hydrodynamiques fondamentales. »

Cette recherche a des implications importantes pour le développement de véhicules marins économes en énergie.

« Les technologies actuelles reposent sur l'injection de bulles de gaz près de la coque, " dit le professeur Chang.

« Des véhicules dotés d'une surface superhydrophobe pouvant naturellement supporter de fines couches d'air sont également en cours de développement.

"Ces technologies peuvent atteindre 10 ou peut-être 20 pour cent de réduction de traînée, alors que notre expérience démontre que pour le meilleur des cas, une réduction d'ordre de grandeur est possible.

"Cela définit maintenant l'objectif des futures recherches dans ce domaine."