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La physique des ondes est un domaine d'une extraordinaire richesse. Les géophysiciens, qu'ils s'occupent de l'atmosphèreatmosphère, de l'intérieur de la Terre ou des océans le savent bien. Beaucoup de phénomènes y sont encore à découvrir et à comprendre, cachés dans les équations non linéaires de Navier-Stokes décrivant la physique des fluides. Un groupe de physiciensphysiciens australiens vient de le démontrer à nouveau en publiant sur arxiv un article dans lequel ils annoncent qu'ils sont parvenus à créer l'équivalent du rayon tracteur de Star Wars, mais avec des ondes à la surface de l'eau.
La physique des vagues et la théorie des ondes de surface
Les physiciens et les mathématiciensmathématiciens s'intéressent à la physique des vagues depuis longtemps. Les travaux les concernant ont culminé une première fois avec la théorie des vaguesvagues de George Airy au XIXe siècle. Il ne s'agissait cependant que d'une approximation linéaire des équations de Navier-Stokes. Quelques années après les travaux d'Airy, son collègue George Stokes a perfectionné cette théorie en lui permettant de pénétrer dans une certaine mesure dans le domaine non linéaire de la mécanique des fluides. Mais aujourd'hui encore, on a besoin de simulations numériquessimulations numériques sur des superordinateurssuperordinateurs pour l'explorer et la maîtriser, sans oublier des expérimentations en laboratoire.
Une vidéo montrant l’effet tracteur contre-intuitif de certaines ondes générées à la surface de l’eau. Certaines de ses ondes sont simples dans les expériences des chercheurs, mais d’autres sont complexes et défient la théorie. Elles peuvent aussi prendre la forme de tourbillons. Cette découverte fortuite d’une nouvelle façon de générer des ondes de surface pourrait avoir de nombreuses applications. © ANUchannel, YouTube
C'est précisément au moyen d'expériences que les chercheurs de l'Australian National University (ANU) sont tombés sur un phénomène surprenant qui défie les modèles mathématiques élaborés jusqu'ici. Les physiciens sont en effet parvenus à créer des sortes de vagues à la surface de l'eau qui ont la propriété contre-intuitive d'attirer un objet flottant dans le sens contraire de la propagation apparente de ces ondes. Ils ont donc réalisé une sorte de rayon tracteur qui permettrait en théorie de piéger et d'attirer une petite embarcation vers un gros navire au moyen d'un faisceau d'ondes. On pourrait aussi s'en servir pour récupérer des nappes de pétroles flottantes consécutives à une marée noire.
Des ondes qui défient la théorie de la dérive de Stokes
Pour le moment les chercheurs sont face à un puzzle. Il existe une théorie de l'effet de dérive, un mouvement de transport de matière associé à la propagation d'une onde dans un milieu matériel, produit par des vagues à la surface de l'eau. Même s'il s'agit d'un effet non linéaire, comme ceux à l'origine des vagues scélérates, on peut le décrire jusqu'à un certain point par une théorie linéaire. La dérive de Stokes, comme on appelle cet effet, est très importante en océanographie, car elle est généralement supérieure aux courants moyens générés par le ventvent à la surface de l'océan. La dérive de Stokes peut ainsi atteindre une valeur de l'ordre de 1 à 2 % de la vitessevitesse du vent local alors que le courant moyen induit par le vent, fortement mélangé par la turbulenceturbulence induite par le déferlement, a des valeurs de l'ordre de 0,5 % de la vitesse du vent.
Mais dans le cas présent, la théorie de la dérive de Stokes échoue à prédire la direction et l'intensité du transport de la matière associée aux ondes que les chercheurs génèrent à la surface de l'eau telle qu'on peut les voir dans la vidéo ci-dessus. Ils savent cependant produire plusieurs types de transport de matière à l'aide des ondes de surface qu'ils génèrent, y compris des tourbillonstourbillons. Comme souvent, l'expérience est en avance sur la théorie.
