Si vous versez de l’eau d’une bouteille, le jet liquide adoptera souvent une structure en forme de chaîne. La physique derrière ce curieux phénomène fait l'objet de vifs débats depuis plus d'un siècle, mais ce mystère a peut-être été résolu grâce aux expériences réalisées par Antoine Deblais, Daniel Bonn et Daniel Jordan à l'Université d'Amsterdam et Neil Ribe à l'Université Paris-Saclay.
Lorsqu'un jet de liquide tombe d'une buse non circulaire, il peut former une vague de sections de liquide larges, aplaties et uniformément espacées qui sont alternativement orientées à 90° les unes par rapport aux autres. Ces sections sont séparées par des maillons de liquide plus fins, ce qui donne à la structure l'apparence d'une chaîne (voir figure).
Au cœur de l’effet se trouve le profil non cylindrique du jet lorsqu’il émerge. Pour minimiser la tension superficielle, le jet tente de devenir un cylindre, mais ce mouvement dépasse et entraîne une oscillation de la forme du profil.
Cependant, il existe un désaccord de longue date entre deux théories décrivant comment ces oscillations se produisent. Une théorie a été avancée par Lord Rayleigh en 1879, puis modifiée par Niels Bohr en 1909. La théorie de Rayleigh décrit l'oscillation comme un effet linéaire, tandis que la théorie de Bohr introduit des effets non linéaires qui diminuent la fréquence des oscillations à mesure que leur amplitude augmente.
Bohr l'emporte
Jusqu’à présent, aucune expérience n’a permis de déterminer laquelle de ces théories offre une description plus précise. Pour résoudre ce problème, l'équipe de Deblais a conçu une série de 12 buses elliptiques de tailles et d'excentricités variables. Ensuite, ils ont mesuré à la fois les fréquences et les amplitudes des structures en chaîne qui se formaient lorsqu'ils versaient de l'eau à travers les buses à des débits variables. Même si les modèles qu’ils ont observés étaient légèrement en désaccord avec les prédictions de Rayleigh, ils s’alignaient davantage sur la théorie de Bohr.
Motifs cachés trouvés à la surface de l'eau
Sur la base de leurs résultats, Deblais et ses collègues ont construit des simulations numériques des oscillations de la chaîne liquide – trouvant là encore un fort accord avec les prédictions de Bohr. Leurs résultats contribuent également à expliquer pourquoi la surface de chaque jet s’est formée avec des fossettes au cours de leurs expériences – une autre caractéristique intéressante des jets d’eau quotidiens. L’équipe espère désormais étendre les expériences et simulations pour considérer d’autres liquides que l’eau, ainsi que des buses aux formes plus complexes.
Maintenant qu'une théorie de base a été établie, de futures expériences pourraient offrir des informations utiles dans une large gamme d'applications dans lesquelles des liquides sont projetés à partir de buses elliptiques, notamment l'impression à jet d'encre et la métallurgie. Des recherches plus approfondies pourraient également conduire à de nouvelles techniques permettant d'améliorer l'efficacité de la combustion, de supprimer le bruit ou d'améliorer le contrôle des propulseurs. Ailleurs, les résultats pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre l’émergence et le traitement possible de certains problèmes médicaux, notamment les maladies urologiques.
La recherche est décrite dans Examen physique des fluides.
