Sur la plage aux Pays-Bas en 2016. Anneaux aux formes étranges. Est-ce le même effet que nous voyons? Ici, beaucoup d'effets différents sont en jeu. Crédit :Simen Andreas dnøy Ellingsen, NTNU
Il a résolu un problème de physique vieux de 127 ans sur papier et a prouvé qu'il pouvait exister des sillages de bateaux décentrés. Cinq ans plus tard, des expériences pratiques lui donnèrent raison.
"Voir les images apparaître sur l'écran de l'ordinateur a été la meilleure journée de travail que j'aie jamais eue, " dit Simen Ådnøy Ellingsen, professeur agrégé au Département de génie énergétique et des procédés de NTNU.
C'était le jour où Ph.D. le candidat Benjamin Keeler Smeltzer et l'étudiant à la maîtrise Eirik Æsøy avaient montré en laboratoire qu'Ellingsen avait raison et lui avaient envoyé les photos de l'expérience. Il y a cinq ans, Ellingsen avait défié les connaissances acceptées à partir de 1887, armé d'un stylo et d'un papier, et a gagné.
Il a résolu un problème concernant le soi-disant Kelvinangle dans les sillages de bateaux, qui est incontesté depuis 127 ans. Le sillage du bateau est le motif en forme de V qu'un bateau ou un canoë fait lorsqu'il se déplace dans l'eau. Vous en avez sans doute vu un à un moment donné.
39 degrés
Il a longtemps été supposé que l'angle du sillage en forme de V derrière un bateau devrait toujours être juste en dessous de 39 degrés, tant que l'eau n'est pas trop peu profonde. Que ce soit derrière un superpétrolier ou un canard, cela devrait toujours être vrai. Ou pas. Car comme tant de faits reconnus, cela s'avère faux, ou du moins pas toujours le cas. Ellingsen l'a montré.
"Pour moi, c'était un domaine totalement nouveau, et personne ne m'a dit que c'était dur, " Ellingsen a expliqué quand il a fait sa découverte pour la première fois.
Sans courant, les ondes annulaires sont des cercles parfaits. Mais avec des courants sous la surface, les anneaux sont oblongs et décentrés. Crédit :NTNU
Les sillages des bateaux peuvent en fait avoir un angle complètement différent dans certaines circonstances, et peut même être décentré par rapport à la direction du bateau. Cela peut se produire lorsqu'il y a des courants différents dans différentes couches d'eau, connu sous le nom de flux de cisaillement. Pour l'écoulement de cisaillement, La théorie de Kelvin sur les sillages des bateaux n'est pas applicable.
"Il a fallu le génie de gens comme Cauchy, Poisson et Kelvin pour résoudre ces problèmes d'ondes pour la première fois, même pour le cas le plus simple d'eau plate sans courants. Il est beaucoup plus facile pour nous de comprendre les cas plus généraux plus tard, comme nous l'avons fait ici, ", explique Ellingsen.
Anneaux oblongs
Les ondes annulaires agissent également de manière amusante dans certaines circonstances. Si vous jetez un caillou dans un lac par une paisible journée d'été, le motif des vagues sera parfait, cercles concentriques. Mais pas s'il y a un flux de cisaillement. Puis, les anneaux pourraient se transformer en ovales. Ellingsen l'a également prédit, en développant la théorie de Cauchy et Poisson à partir de 1815.
"Après avoir fait les premiers calculs, J'étais sur une plage aux Pays-Bas en train de regarder l'eau refluer après une vague. J'ai fait des anneaux dans l'eau et pris quelques photos. En les regardant plus tard, les anneaux me semblaient oblongs, et je suis devenu assez excité. Ce n'était pas de la science, bien sûr, mais maintenant c'est le cas!" dit Ellingsen.
La recherche en laboratoire étaye les calculs
C'est ainsi qu'Ellingsen s'est retrouvé sur la couverture du Journal de mécanique des fluides . Mais tous ses calculs avaient été faits sur papier, et n'avait pas encore été observé empiriquement.
Le bateau avance à la même vitesse sur toutes ces photos, 50 cm/s. Selon la théorie de Kelvin, ces trois sillages devraient se ressembler, mais ils ne le font pas. Essayez de compter les vagues transversales derrière le bateau (le petit point blanc en haut de chaque image). À gauche :vagues asymétriques. Ici, la surface ne bouge pas, mais il y a un courant sous la surface. Centre :Même vitesse, aussi avec la surface au repos, mais dans ce cas, il y a un courant sous-marin dans le sens inverse du mouvement. À droite :pour ce cas, le bateau et le courant sous-marin se déplacent dans le même sens, toujours sans mouvement de surface. (C'est peu de temps après que le bateau a commencé à bouger, donc vous pouvez voir que les vagues sont plus rapprochées à l'arrière). Crédit :NTNU
Maintenant, cependant, il y a des recherches en laboratoire pour étayer son travail, grâce au doctorat. candidat et étudiant à la maîtrise qui ont pu mener des expériences dans un bassin de recherche spécialement aménagé, avec Ellingsen comme superviseur.
Eirik Æsøy a une formation de technicien, ce qui a permis d'économiser du temps et de l'argent dans la construction du laboratoire. Il a fallu environ six mois pour que tout soit opérationnel.
"Æsøy et moi avons mis en place tout l'équipement pour créer les courants dont nous avions besoin, " explique Smeltzer. Leurs résultats ont également été publiés dans le Journal de mécanique des fluides .
"C'est assez remarquable que les expériences de notre petit bassin à vagues y soient publiées, " dit Smeltzer.
Applications pratiques
Les résultats de leurs recherches sur l'angle Kelvin pourraient avoir de réelles conséquences pratiques, comme contribuer potentiellement à réduire la consommation de carburant des navires. Une grande partie du carburant sur les navires sert en fait à faire des vagues.
« La consommation de carburant peut doubler si le navire se déplace vers l'aval par rapport à l'amont, " a déclaré Ellingsen.
