La turbulence est partout - elle secoue nos avions et crée de minuscules tourbillons dans nos baignoires - mais c'est l'un des phénomènes les moins compris de la physique classique.

La turbulence se produit lorsqu'un écoulement de fluide ordonné se brise en petits tourbillons, qui interagissent les uns avec les autres et se brisent en tourbillons encore plus petits, qui interagissent entre eux et ainsi de suite, devenir le maelström chaotique du désordre qui rend le rafting en eaux vives si amusant.

Mais les mécanismes de cette descente dans le chaos ont intrigué les scientifiques pendant des siècles.

Quand ils ne comprennent pas quelque chose, les physiciens ont une solution incontournable :l'écraser ensemble. Vous voulez comprendre les éléments constitutifs fondamentaux de l'univers ? Écrasez les particules ensemble. Vous voulez démêler les mécanismes sous-jacents de la turbulence ? Écrasez les tourbillons ensemble.

Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont peut-être identifié un mécanisme fondamental par lequel la turbulence se développe en brisant les anneaux de vortex les uns contre les autres, enregistrer les résultats avec des caméras ultra-haute résolution, et reconstruire la dynamique de collision à l'aide d'un programme de visualisation 3D. Couplé à l'analyse de simulations numériques réalisées par des collaborateurs de l'Université de Houston et de l'ENS de Lyon, les chercheurs ont acquis une connaissance sans précédent de la façon dont les systèmes fluidiques passent de l'ordre au désordre.

La recherche est décrite dans Avancées scientifiques .

"Notre capacité à prévoir la météo, comprendre pourquoi un Boeing 747 vole même avec des courants turbulents dans son sillage, et déterminer les flux globaux dans l'océan dépend de la façon dont nous modélisons la turbulence, " a déclaré Shmuel Rubinstein, Professeur agrégé de physique appliquée à SEAS et auteur correspondant de l'article. "Toutefois, notre compréhension de la turbulence manque encore d'une description mécaniste qui explique comment l'énergie tombe en cascade à des échelles de plus en plus petites jusqu'à ce qu'elle soit finalement dissipée. Cette recherche ouvre la porte à ce genre de compréhension. »

"Essayer de donner un sens à ce qui se passe dans un système extrêmement complexe comme la turbulence est toujours un défi, " a déclaré Rodolfo Ostilla-Mónico, Professeur adjoint de génie mécanique à l'Université de Houston et auteur correspondant de l'article. "A toutes les échelles de longueur, les tourbillons se sollicitent et se compriment les uns les autres pour générer une image chaotique. Avec ce travail, nous pouvons commencer à isoler et observer des interactions de paires simples, et comment ceux-ci conduisent à une dynamique riche lorsqu'ils sont suffisamment présents."

Les physiciens utilisent des collisionneurs vortex pour comprendre les turbulences depuis les années 1990, mais les expériences précédentes n'ont pas été en mesure de ralentir et de reconstituer la mécanique de la collision, au moment où il sombre dans le chaos. Pour faire ça, les chercheurs ont synchronisé une puissante feuille laser à balayage avec une caméra haute vitesse, capable de capturer des centaines de milliers d'images par seconde, pour balayer rapidement toute la collision en temps réel.

Ils ont utilisé des canons à vortex dans un aquarium de 75 gallons pour produire les vortex. Chaque vortex a été teint d'une couleur différente, afin que les chercheurs puissent observer comment ils interagissent lorsqu'ils entrent en collision violemment. Il faut moins d'une seconde pour que les anneaux disparaissent dans une bouffée de colorant après la collision, mais pendant ce temps, beaucoup de physique se passe.

D'abord, les anneaux s'étirent vers l'extérieur lorsqu'ils s'entrechoquent et les bords forment des vagues antisymétriques. Les crêtes de ces vagues se développent en filaments ressemblant à des doigts, qui croissent perpendiculairement entre les noyaux en collision.

Ces filaments tournent en sens inverse avec leurs voisins, créant un nouveau réseau de vortex miniatures qui interagissent les uns avec les autres pendant des millisecondes. Ces tourbillons forment également des filaments, qui à leur tour forment des tourbillons. L'équipe de recherche a observé trois générations de ce cycle en cascade, chacun le même qu'avant, seulement plus petit, une poupée russe du désordre.

"Ce comportement similaire de la grande échelle à la petite échelle émerge très rapidement et de manière ordonnée avant que tout ne se transforme en turbulences, " a déclaré Ryan McKeown, un étudiant diplômé à SEAS et premier auteur de l'article. "Cet effet en cascade est vraiment excitant car il pourrait indiquer un mécanisme universel pour le fonctionnement de ces interactions, indépendant de l'échelle."

En plus des expérimentations, l'équipe de recherche a également développé des simulations numériques pour comprendre la dynamique du claquage et quantifier l'évolution du spectre énergétique de la cascade. La turbulence a un spectre d'énergie très spécifique et bien défini. Bien que ce système soit considérablement plus simple que la turbulence qui secoue un avion, les chercheurs ont découvert que le spectre d'énergie au stade avancé de la décomposition des tourbillons suit la même mise à l'échelle révélatrice de la turbulence pleinement développée.

"C'est une excellente indication que bien qu'il s'agisse d'un système différent - pour une courte période - il crée les mêmes conditions de turbulence. C'est un point de départ, " a déclaré McKeown.