Commenta les vagues se propagent-elles sur un tore liquide ?

Les vagues à la surface de la mer ou d’un lac ont été étudiées depuis longtemps par les scientifiques, et sont généralement bien comprende. Mais comment se propageraient-elles sur une surface plus complexe, par exemple à la surface d’un anneau (un tore) de liquide ?

Commenta obtenir un tore liquide ?

Una prima difficile è ottenere un tel tore. Bien que les tores de fluides soient omniprésents dans la nature (Anneau de Fumée tu anneau d’une bulle sous-marine produite par les dauphinspar esempio), il est rare d’y trouver des strappa liquidi. En effet, ceux-ci sont habituellement stalle : ils se fragmentent en gouttelettes, ou bien referment leur trou central.

Une faible quantité d’eau déposée sur une surface plane form une petite gotte. Pour une plus grande quantité, on osserva un étalement du liquide, en partie du au fait qu’il « mouille » la surface, c’est-à-dire qu’il aime le contact avec la surface. Pour éviter cet effet, nous utilisons une surface que nous avons traité au prealable de façon « superidrofobo »c’est-à-dire qu’elle repousse l’eau, à la manière d’une feuille de lotus.

Une grosse goutte peut être ainsi produite, le forze capillari assicurano la coerenza e il minimo sulla superficie, à la manière de la tensione d’une membrane d’un ballon de baudruche. L’avantage est que cette gotte n’adhère presque plus sur la surface du fait de son contact réduit, et peut ainsi bouger quasiment sans contrainte.

Cependant, il manque un ingrédient crucial pour obtenir un tore de liquide.

L’astuce expérimentale, pour obtenir un tore, est de graver une rainure circulaire, de forme conique et faiblement pentue, sur la plate. L’eau tente alors, par capillarité, de remonter la faible pente de la rainure, mais elle est repoussée vers le bas par la gravité. De cette façon, la capillarité et la gravité s’équilibent. Cette technique nous permet alors d’obtenir un tore infiniment stable, dont son périmètre central se situe à l’aplomb de la rainure circulaire.

Diversi modi di propagazione

Nous avons pu alors mesurer, pour la première fois, des vagues le long d’un tore et étudier leur comportement. En utilisant un piston mobile, nous avons pu créer des ondes qui se propagent à la fois sur le bord extérieur et intérieur du tore.

Les ondes ainsi obtenues present différents modalità di propagazione.

Nous y trouvons des ondes se propageant comme à la surface d’un lac (ondes dites gravito-capillaires), mais qui sont modifiées par la géométrie courbe du tore. D’autres mode de propagation sont aussi observés, tels ceux résultant du mouvement global d’oscillation du tore, de haut en bas, le long de la pente de la rainure ; les deux bords bougeant dans le même sens. D’autres, enfin, corrispondente à des mode de ballottement dont les deux bords bougent en sens opposé.

Cette diversité inattendue fait d’un tore liquide un système nouveau, intéressant pour étudier ces ondes. L’interazione tra le onde se propagante sur chaque bord du tore pourrait permettre, par esempio, de mieux modéliser les oscillations indésirables dans les plasmas magnétisés en form de tore (tokamak).

Nous nous concentrons actuellement sur des ondes de plus grandes amplitudes. Les solitons en sont un esempio affascinante: localisés, ils se propagent sans déformation sur de longues distances avec une vitesse qui dépend de leur amplitude. Ils sont notamment utilisés pour modéliser les tsunamis. Nous avons, tout récemment, rapporté l’observation de solitons le long du tore et étudié leur collision. Le tore étant fermé sur lui-même, la périodicité d’une telle géométrie induit alors des forme et des vitesses de solitons qui sont différentes de celles observées sur une surface plane de liquide.

Le prime esperienze sperimentali sono “beignet” de liquide ouvrent ainsi la voie vers des proprietés des solitons jusqu’alors inconnues dans cette géométrie.

Cette image fait partie des lauréats du concours Mécapixel 2021.