Expérience "vortex"

Expérience "vortex"

Introduction

(Vidéo-rencontre de 2 vortex)

Cette section va expérimenter avec des vortex et tourbillons en tout genre.
Un vortex (origine latine associée à quelque chose qui tourne) est grosso-modo du fluide en rotation et comprenant en général une région de basse pression au centre. Les tornades sont les représentants emblématiques des vortex.

Vous avez peut-être remarqué si vous buvez du thé souvent qu'en retirant votre cuillère, des tourbillons tournant en sens contraire se forment. Ces tourbillons sont simplement les extrémités d'un demi anneau de vortex.

Dans un bateau à rames, ce sont essentiellement les vortex générés par les rames qui résistent aux rames et permettent, par réaction, au bateau d'avancer.

(Cliquez sur l'image pour voir la vidéo)

On sait que des vortex très puissant se forment aux extrémités des ailes d'avions par exemple et que ce sillage turbulent est fort dangereux pour les avions qui suivent (car les vortex sont stables très longtemps). 

Vous pouvez voir ces vortex sur une des vidéo dans notre dossier sur la mécanique des fluides. La force d'un vortex généré par une aile d'avion est proportionnelle au poids de l'avion en opération. On a quand même enregistré des maximum de vitesse tangentielle de l'ordre de 100 m/s !

La nature regorge de vortex ! 

Par exemple, les volcans adorent en générer de gigantesques ronds de fumée (leur orifice est circulaire, me direz-vous !). Vous ainsi en verrez pas mal en bas de la page de ce site ; vous pouvez-voir ci-contre un magnifique specimen de vortex très stable émis par l'Etna.

Les animaux marins et en les imitant, les hommes peuvent créer des bulles annulaires stables sous l'eau, que ce soit par la bouche ou leur orifice respiratoire:

(Cliquez sur l'image pour voir la vidéo)

Vous pouvez essayer de reproduire cela à la mer ou dans votre piscine comme y arrive ce Pro japonais.

(Cliquez sur l'image pour voir la vidéo)

Il existe aussi le "Vortex", expérience classique dans de nombreux musées de Science. Il s'agit d'une structure solide à la forme géométrique originale. On peut mettre verticalement une pièce en la faisant rouler sur sa tranche: cette dernière va alors tourner très très longtemps avant de finalement tomber dans le trou. J'avoue que j'ai plus perdu d'argent à ce jeu qu'aux machines à sous dans ma vie …

(Cliquez sur l'image pour voir la vidéo)

Expérience 1 

La première expérience consiste à se procurer un conteneur de 20 litres et de garder le bouchon verseur (je l'ai ensuite sectionné avec une scie afin que le trou soit assez petit pour que le débit ne soit pas trop important). 

(Vidéo-tourbillon d'eau)

Il faut ensuite imprimer un mouvement tournant au conteneur et le tourbillon se forme rapidement et on peut observer l'écoulement rotationnel. Remarquez au passage (en chronométrant) que c'est la manière la plus rapide de vider un conteneur (ou une bouteille) d'eau.

En effet, vous savez que lorsque vous videz la bouteille, l'écoulement est intermittent car de l'air doit remplacer l'eau qui se vide. Avec un vortex, le centre est un tube et l'air peut s'engoufrer jusqu'à la surface ; d'où le gain de temps.

Il est cependant assez difficile de jouer avec un gros conteneur. Le plus simple, c'est encore de relier deux bouteilles. La boutique d'Imaginascience propose justement un petit et peu onéreux tube tourbillon à cet effet.

Expérience 2 

Passons à la pratique justement. Comment réaliser des ronds de fumées nous-mêmes sans pour autant "en griller une" ? 

(Vidéo- vortex artisanal)

Matériel

• Une boite en carton fermée 
• Un cutter comme seul outil 
• De l'encens pour visualiser le vortex 
• Un sachet plastique assez solide ou un grand ballon de baudruche
• Une agrafeuse ou bon scotch 

Ensuite c'est très simple. Vous n'avez même pas besoin d'un dessin. Découpez une des faces du carton et remplaçez cette face par le sachet plastique ou le ballon (que vous aurez ouvert pour en faire une surface). Agrafez ou scotchez bien en évitant qu'il y ait des ouvertures et en le tendant correctement. Sur face opposée, découpez un rond au cutter de diamètre moitié (environ) de la longueur de la face concernée. 

Méthode

VoIlà, le générateur est prêt. Il ne vous manque plus que la fumée. Pour ce faire, allumez deux bâtons d'encens et plaçez les devant l'ouverture, voire un chouilla à l'intérieur.

C'est fort simple maintenant. Tandis que vous tenez les bâtons d'encens devant l'ouverture, donnez une petite impulsion sur le sac tendu. Les vortex se forment comme le montre la vidéo ci-contre.

Si vous souhaitez créer un plus grand modèle de générateur comme celui-ci :

(Cliquez sur l'image pour voir la vidéo)

Vous pouvez vous inspirer dece document en forme de BD(Anglais, format PDF)

Vous pouvez voir encore plus grand avecce lien(Anglais, lien externe) et ce ce lien(Anglais, lien externe)

Un peu d'Histoire

Des chercheurs de poids du dix-neuvième siècle dont P. Gutrie Tait et Maxwell se sont inspirés des vortex pour créer une théorie mathématique et physique devant expliquer l'univers. Il existait alors une théorie en vogue sur une structure à base de vortex des atomes (inspirée de la théorie des noeuds en maths) qui avait été présentée à la célèbre Royal Society de Londres. Vous pouvez creuser le sujet avec ce document (en anglais, PDF) qui donne la bio de Richard Tait, proche de Maxwell. Cela a été un échec mais a servi néanmoins et ce sont eux qui ont reproduit expérimentalement le phénomène.

Vous pouvez voir une vidéo de l'expérience reproduite avec le même matériel que l'époque (dangereux): voir la vidéo (Anglais, lien externe, format MPG)