You’re on an airplane when you feel a sudden jolt. Outside your window nothing seems to be happening, yet the plane continues to rattle you and your fellow passengers as it passes through turbulent air in the atmosphere.
Vous êtes à bord d'un avion quand vous ressentez une brusque secousse. Dehors, tout semble calme, pourtant, l'avion vous secoue, vous et vos compagnons de vol à travers l'air turbulent de l'atmosphère.
Although it may not comfort you to hear it, this phenomenon is one of the prevailing mysteries of physics. After more than a century of studying turbulence, we’ve only come up with a few answers for how it works and affects the world around us.
Même si ce n'est pas rassurant à entendre, ce phénomène est l'un des plus grands mystères de la physique. Après plus d'un siècle d'étude sur la turbulence, nous avons trouvé peu d'explications sur son mode de fonctionnement et comment elle influence le monde qui nous entoure.
And yet, turbulence is ubiquitous, springing up in virtually any system that has moving fluids. That includes the airflow in your respiratory tract. The blood moving through your arteries. And the coffee in your cup, as you stir it. Clouds are governed by turbulence, as are waves crashing along the shore and the gusts of plasma in our sun. Understanding precisely how this phenomenon works would have a bearing on so many aspects of our lives.
Pourtant, la turbulence est omniprésente, elle surgit dans presque chaque système ayant des fluides en mouvement. Ce qui inclut le flux d'air dans votre appareil respiratoire, le sang qui coule dans vos veines, et le café que vous touillez dans votre tasse. Les nuages sont gouvernés par la turbulence, comme les vagues qui se brisent sur le rivage et les rafales de plasma du soleil. Comprendre précisément comment ce phénomène fonctionne aurait des répercussions sur de multiples aspects de nos vies.
Here’s what we do know. Liquids and gases usually have two types of motion: a laminar flow, which is stable and smooth; and a turbulent flow, which is composed of seemingly unorganized swirls. Imagine an incense stick. The laminar flow of unruffled smoke at the base is steady and easy to predict. Closer to the top, however, the smoke accelerates, becomes unstable, and the pattern of movement changes to something chaotic. That’s turbulence in action, and turbulent flows have certain characteristics in common.
Voici ce que l'on sait. Liquides et gaz ont d'habitude deux types de mouvement : l'écoulement laminaire, qui est stable et lisse, et l'écoulement turbulent, composé de volutes a priori désordonnées. Prenons un bâton d'encens. L'écoulement laminaire de fumée lisse à la base est régulière, facile à prévoir. Un peu plus haut, pourtant, la fumée s'accélère, devient instable et le motif de mouvement devient chaotique. C'est la turbulence en action, et les écoulements turbulents ont certaines caractéristiques en commun.
Firstly, turbulence is always chaotic. That’s different from being random. Rather, this means that turbulence is very sensitive to disruptions. A little nudge one way or the other will eventually turn into completely different results. That makes it nearly impossible to predict what will happen, even with a lot of information about the current state of a system.
Premièrement, la turbulence est toujours chaotique. Ce qui ne veut pas dire aléatoire. La turbulence est donc très sensible aux perturbations. Un petit coup n'importe où donnera des résultats totalement différents. Il est presque impossible de prédire ce qu'il se passera, même avec beaucoup d'informations sur l'état actuel d'un système.
Another important characteristic of turbulence is the different scales of motion that these flows display. Turbulent flows have many differently-sized whirls called eddies, which are like vortices of different sizes and shapes. All those differently-sized eddies interact with each other, breaking up to become smaller and smaller until all that movement is transformed into heat, in a process called the “energy cascade."
Une autre caractéristique importante de la turbulence concerne les différents mouvements que ces écoulements forment. L'écoulement turbulent est formé de remous de tailles différentes appelés tourbillons, qui ressemblent à des vortex de différentes tailles et formes. Ces tourbillons interagissent entre eux, se cassent pour devenir toujours plus petits jusqu'à ce que ce mouvement se transforme en chaleur,
So that’s how we recognize turbulence– but why does it happen? In every flowing liquid or gas there are two opposing forces: inertia and viscosity. Inertia is the tendency of fluids to keep moving, which causes instability. Viscosity works against disruption, making the flow laminar instead. In thick fluids such as honey, viscosity almost always wins. Less viscous substances like water or air are more prone to inertia, which creates instabilities that develop into turbulence.
selon un procédé appelé « cascade turbulente ». C'est ainsi qu'on reconnaît la turbulence - mais pourquoi se produit-elle ? Dans chaque liquide ou gaz qui s'écoule se trouvent deux forces opposées : l'inertie et la viscosité. L'inertie, c'est la tendance d'un fluide à conserver son mouvement, ce qui cause de l'instabilité. La viscosité empêche la perturbation, et rend l'écoulement laminaire. Pour les liquides épais tels que le miel, la viscosité remporte presque toujours. Des substances moins visqueuses comme l'eau ou l'air sont sujettes à l'inertie,
We measure where a flow falls on that spectrum with something called the Reynolds number, which is the ratio between a flow’s inertia and its viscosity. The higher the Reynolds number, the more likely it is that turbulence will occur. Honey being poured into a cup, for example, has a Reynolds number of about 1. The same set up with water has a Reynolds number that’s closer to 10,000.
ce qui crée des instabilités qui se transforment en turbulence. Nous mesurons un écoulement selon son régime, avec le nombre de Reynolds, qui calcule le ratio inertie/viscosité dans un écoulement. Plus le nombre de Reynolds est élevé, plus il y a de chance qu'une turbulence se crée. Par exemple, du miel versé dans une tasse a un nombre environ égal à 1.
The Reynolds number is useful for understanding simple scenarios, but it’s ineffective in many situations. For example, the motion of the atmosphere is significantly influenced by factors including gravity and the earth’s rotation. Or take relatively simple things like the drag on buildings and cars. We can model those thanks to many experiments and empirical evidence. But physicists want to be able to predict them through physical laws and equations as well as we can model the orbits of planets or electromagnetic fields.
Avec de l'eau, il approche 10 000. Le nombre de Reynolds est utile pour comprendre des scénarios simples, mais est inefficace dans beaucoup de situations. Par exemple, le mouvement de l'atmosphère est considérablement influencé par certains facteurs, tels que la gravité et la rotation de la Terre. Ou prend en compte des choses simples, comme la résistance aérodynamique des bâtiments et des voitures. On peut les modéliser grâce à des expériences et la preuve empirique. Mais les physiciens veulent les prévoir par des équations et des lois physiques comme nous modélisons l'orbite d'une planète ou les champs électromagnétiques.
Most scientists think that getting there will rely on statistics and increased computing power. Extremely high-speed computer simulations of turbulent flows could help us identify patterns that could lead to a theory that organizes and unifies predictions across different situations. Other scientists think that the phenomenon is so complex that such a full-fledged theory isn’t ever going to be possible.
La plupart des scientifiques pensent que cette avancée dépend de la statistique et d'une puissance de calcul accrue. Des simulations d'écoulements turbulents sur des ordinateurs extrêmement rapides nous aideraient à identifier des schémas qui pourraient mener à une théorie qui organise et unifie les prédictions à travers des situations diverses. D'autres scientifiques jugent ce phénomène tellement complexe qu'une théorie aussi complète ne sera jamais possible.
Hopefully we’ll reach a breakthrough, because a true understanding of turbulence could have huge positive impacts. That would include more efficient wind farms; the ability to better prepare for catastrophic weather events; or even the power to manipulate hurricanes away. And, of course, smoother rides for millions of airline passengers.
Nous espérons faire une découverte, car une bonne compréhension de la turbulence pourrait avoir des conséquences positives, comme des éoliennes plus performantes ; pouvoir mieux se préparer aux catastrophes naturelles ; ou bien la capacité de contrôler les ouragans à distance.