Des physiciens ont inversé le flux d’énergie dans la turbulence, pliant une règle de 80 ans

Dans une mince nappe d’eau tourbillonnante, des physiciens ont fait circuler l’énergie à l’envers. Au lieu de descendre vers des tourbillons toujours plus petits, ou de remonter vers des tourbillons toujours plus grands, l’écoulement faisait ce que les chercheurs choisissaient, selon la façon dont ils disposaient les forces qui le brassaient. Le résultat remet en cause une hypothèse qui façonne la physique des fluides depuis plus de quatre-vingts ans.

Depuis plus de quatre-vingts ans, l’image admise de la turbulence est celle d’une cascade à sens unique. Dans les écoulements tridimensionnels d’une rivière ou de l’océan, on pensait que l’énergie descendait régulièrement des grands tourbillons vers les petits, où elle se dissipe finalement en chaleur. Dans les couches minces, presque bidimensionnelles, on croyait la cascade inversée, les petits tourbillons nourrissant les plus grands. Dans tous les cas, le sens semblait fixé par la géométrie de l’espace où vivait le fluide.

Le nouveau travail détache ce sens des dimensions de l’écoulement. Ce qui fixe la direction, ont découvert les chercheurs, c’est l’alignement entre deux grandeurs en chaque point du fluide : la contrainte qui le comprime et la déformation qu’il subit en réponse. Réglez l’angle entre force et déplacement, et l’énergie peut être poussée vers le haut ou vers le bas de l’échelle. La forme du récipient cesse d’être un destin.

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Pour le montrer, l’équipe a agité par des forces magnétiques une fine couche de liquide conducteur d’électricité, l’a saupoudrée de particules traçantes et a filmé leurs déplacements. En remodelant le schéma de forçage, elle a produit des écoulements à transfert d’énergie direct et des écoulements à transfert inverse dans le même appareil. Des simulations numériques du même montage ont reproduit le basculement, le genre d’accord qui transforme une image surprenante en une mesure.

Maîtriser la cascade a une portée concrète. Le sens dans lequel l’énergie circule dans un fluide gouverne la façon dont les choses s’y répandent ; l’orienter pourrait donc changer la manière dont une côte disperse un panache d’eaux usées, dont une puce microfluidique mélange de minuscules volumes pour un test médical, ou dont l’énergie se déplace dans les écoulements en couches que les modèles climatiques tentent de saisir.

La démonstration vit dans un système soigneusement contrôlé et essentiellement bidimensionnel, non dans la turbulence tridimensionnelle et chaotique d’une tempête ou d’un courant profond. Savoir si cette même prise sur le sens survit dans des écoulements pleinement tridimensionnels et très énergétiques reste une question ouverte, et le saut d’un bac de laboratoire à l’océan est grand. Le principe est désormais établi ; sa portée, non.

Les travaux ont été menés par une équipe pilotée depuis l’université de Pittsburgh, en collaboration avec l’université de Turin, et publiés dans la revue Science Advances. L’étape suivante du groupe est de tester jusqu’où s’étend ce contrôle par alignement des tenseurs à mesure que les écoulements s’épaississent et gagnent en énergie, le régime où vit réellement la plupart de la turbulence.

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