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EN SAVOIR PLUS

Transparence dans le monde du vivant

TTransparence dans le monde du vivant

Le 11 avril, pour la dernière Soirée Scientifique de l’Université Ouverte Lyon 1, le monde vivant dévoile ses étonnantes capacités à échapper à notre regard.

Le mythe de Persée, l’homme invisible de H.G. Wells, ou encore la cape d’invisibilité d’Harry Potter… la transparence et le mythe de l’invisibilité ont fasciné l’humain à travers les siècles. Une capacité convoitée qui questionne notre vision, l’immortalité, le pouvoir humain ou encore notre moralité. Mais qu’en est-il de la transparence dans le monde vivant ?

Si elle est très fréquente en milieu aquatique, elle est à l’inverse très rare en milieu terrestre. Mais surtout, la transparence n’est pas aussi simple qu’on pourrait le penser intuitivement. Elle joue un rôle important dans le camouflage, elle contribue également à la communication à l’intérieur des espèces ou entre espèces, mais elle a aussi ses désavantages.

C’est ce qu’illustrera la chercheuse Doris Gomez du Centre d’Écologie Fonctionnelle et Évolutive de Montpeller à travers de nombreux exemples, lors de cette nouvelle soirée scientifique de l’Université Ouverte de Lyon 1. Elle montrera aussi comment la transparence dans le monde du vivant est aujourd’hui source de bio-inspiration. La cape d’invisibilité d’Harry Potter ne serait-elle alors plus une simple fantaisie ?

Conférence organisée par : Université Ouverte Lyon 1

En partenariat avec : la ville de Villeurbanne.

>> Consultez le programme des Soirées Scientifiques 2023-2024

Pour en savoir plus :

Université Ouverte Lyon 1

 

 

 

 

 

Des balances pour tout mesurer

DDes balances pour tout mesurer

©Lyon 1

La Bibliothèque universitaire de l’Université Claude Bernard Lyon 1 vous invite à assister à un atelier de physique !

Les balances ne servent pas qu’à peser le sucre pour les confitures. Venez découvrir, à partir des appareils de la collection de physique, comment les physiciens les utilisaient dans le passé et comment ils s’en servent aujourd’hui.

Animé par :

  • Françoise Langlois, chercheure associée au Laboratoire Sciences, Société, Historicité, Éducation et Pratiques – S2HEP
  • Jean-Marie Biau

Pour en savoir plus :

BU Lyon 1

>> Voir les précédents ateliers : cliquez ici

 

Le monde des atomes à l’échelle attoseconde | Rencontre avec Anne L’huilier, prix Nobel de physique 2023

LLe monde des atomes à l’échelle attoseconde | Rencontre avec Anne L’huilier, prix Nobel de physique 2023

Anne L’huilier / ©European Research Council (ERC)

Lorsqu’un gaz d’atomes est soumis à un rayonnement laser intense, des harmoniques d’ordre élevé du laser sont émises. Dans le domaine temporel, ce rayonnement forme un train d’impulsions lumineuses extrêmement courtes, de l’ordre de 100 attosecondes, permettant une résolution temporelle exceptionnelle.

Venez découvrir le monde des atomes à l’échelle attosecondes, lors de deux rendez-vous exceptionnels !

Intervenante : Anne L’huillier, pionnière de cette science qui permet d’étudier le mouvement des électrons à une échelle de temps extrêmement courte. Ses travaux lui ont valu de recevoir en 2023 le prix Nobel de physique.

  • Mercredi 16 janvier à 16h | Conférence de physique – Amphithéâtre Astrée, Campus LyonTech – la Doua

Les impulsions attosecondes permettent d’étudier la dynamique des électrons dans les atomes, à l’aide de techniques interférométriques. Quelques exemples seront présentés, allant de la mesure de retards à la photoionisation, à la caractérisation de l’état quantique d’un électron. Cette présentation donnera une brève perspective historique sur ce domaine de recherche.

>> Informations et inscription

  • Jeudi 1er février à 16h30 | Rencontre – ENS de Lyon – Amphithéâtre Mérieux – Campus Monod

Anne L’Huillier donnera une conférence tout public sur ses travaux de recherche. La conférence sera suivie, à 18h, d’une table-ronde sur les femmes dans les sciences, en présence d’Isabelle Vauglin, astrophysicienne au CRAL et présidente de l’association Femmes & Sciences.

>> Informations et inscription

PPour aller plus loin

Les ateliers d’Explora

LLes ateliers d’Explora

Explora est un établissement de culture scientifique de la Ville de Saint-Étienne, géré par La Rotonde, Centre de Culture Scientifique, Technique et Industrielle de l’École des Mines Saint-Étienne. Depuis plus de 20 ans, La Rotonde vous embarque pour vivre des aventures avec les sciences. Elle dispose à présent de deux lieux : La Soucoupe et Explora, et vous propose également de multiples actions hors les murs et en digital.

De janvier à mars, Explora vous propose divers ateliers :

  • Aux commandes du robot M’Bot 

Prenez les commandes du robot mBot en écrivant un programme de A à Z. Avec ses multiples capteurs, mBot est capable d’évaluer les distances, de suivre une ligne ou encore d’envoyer un message à un congénère. Dans cet atelier, il faudra utiliser les capteurs de mBot et coder les instructions qui lui permettront de relever les défis d’Explora !

Âge : 12 – 15 ans / L’atelier se passe avec l’animatrice ou l’animateur – sans accompagnant.

Tarif unique : 4 € / Durée atelier : 2h

inscription

 

  • Jeux d’optique

Mais comment fait-on les dessins animés ? Dans cet atelier, petit·es et grand·es construisent ensemble deux jouets d’optique : un thaumatrope et un zootrope, pour mettre des images en mouvement. L’atelier se termine par la réalisation d’une petite vidéo en stop motion, pour pouvoir s’amuser des heures encore à la maison !

Âge : 3-6 ans – En famille / Un groupe d’enfants est attendu avec au minimum un adulte.

Tarif réduit : enfants moins de 16 ans, étudiants, demandeurs d’emploi, personnes en situation de handicap

Durée atelier : 1h30

Inscription

 

  • Descente infernale

Arriverez-vous au bout de ce parcours sans faire tomber votre bille ? Vous disposez d’une heure pour construire un parcours que votre bille devra traverser en un temps donné ! Facile ? Pas si sûr ! Cet atelier permet de découvrir des principes physiques comme la gravité, ou les forces de frottement qui seront vos alliés pour réussir ce challenge-maker. Pourquoi notre bille prend-elle de la vitesse ? Comment la ralentir ? Quels matériaux choisir ? Adultes et enfants construisent ensemble un parcours pour expérimenter ces notions.

Âge : 6-12 ans – En famille / Un groupe d’enfants est attendu avec au minimum un adulte.

Tarif réduit : enfants moins de 16 ans, étudiants, demandeurs d’emploi, personnes en situation de handicap

Durée atelier : 2h

Inscription

 

  • Programme ton robot Thymio 

Initiation à la robotique avec Thymio, un robot doté de nombreux capteurs qui lui permettent de nous entendre, voir les distances et interagir avec nous. Cet atelier ouvre les portes de l’univers de la robotique aux enfants avec comme fil conducteur plusieurs interrogations : qu’est-ce qu’un robot ? Quel est le langage des robots ? Quelles différences entre un être humain et un robot ? Avec Thymio, les enfants appréhendent les notions de capteurs et de programmes en alternant au cours de l’atelier, temps de discussion et moments de manipulation de Thymio. Les enfants prennent ensuite les commandes de Thymio en codant leurs propres instructions à travers une série de défis

Âge : 9 -12 ans / L’atelier se passe avec l’animatrice ou l’animateur – sans accompagnant.

Tarif réduit : enfants moins de 16 ans, étudiants, demandeurs d’emploi, personnes en situation de handicap

Inscription

 

>> Pour en savoir plus, rendez-vous sur le site de :

Explora

©Explora

Comment enseigner les sciences autrement ?

CComment enseigner les sciences autrement ?

L’année scolaire 2023-2024 sera l’Année de la physique ! La prochaine année scolaire sera dédiée à la physique. À cette occasion différents organismes mettent en place des conférences, le CNRS nous propose de retrouver tous le programme sur le territoire et en ligne.

A Lyon et pour célébrer les 20 ans du site CultureSciences Physique et conjointement avec les enseignants du Département de physique de l’ENS de Lyon, sont heureux de recevoir Julien Bobroff, Professeur à l’Université Paris-Saclay, chercheur au Laboratoire de physique des solides et co-fondateur de « La Physique Autrement« , pour une conférence le jeudi 7 décembre 2023 à l’ENS de Lyon.

L’intervention sera diffusée en direct et enregistrée pour une rediffusion sur CultureSciences Physique.

©logo CNRS année de la physique

Depuis dix ans, au sein de l’équipe « La Physique Autrement », il collabore avec des designers pour développer de nouvelles façons d’enseigner la physique. Ils ont créé : des TPs frugaux et ouverts, des enseignements 100% smartphone, des fictions immersives, un enseignement en forêt, et même des défis olympiques (mais pas sportifs). Chaque fois, ils cherchent à encourager l’engagement des étudiants, le travail en groupe, la créativité, pour finalement tenter de changer leur vision des sciences. Enfin, il travaille à l’essaimage de ces pratiques, en créant des outils à disposition de tous. Venez découvrir ces nouvelles façons d’enseigner, leurs forces, leurs faiblesses, et, pourquoi pas, les dupliquer vous-mêmes !

Pour en savoir plus :

ENS

 

©Cyril Fresillon

Les étranges comportements thermiques du nanomonde

LLes étranges comportements thermiques du nanomonde

Les recherches de Konstantinos Termentzidis et de son équipe dévoilent un monde fascinant où les lois de la thermique classique ne sont plus maîtresses. En levant le voile sur les échanges de chaleur entre un solide et un liquide à l’échelle nanométrique, les physiciens ouvrent la voie à des applications innovantes dans divers domaines industriels et technologiques.

Explication de Konstantinos Termentzidis, chercheur au Centre d’énergétique et de thermique de Lyon.

>> L’intégralité de ce billet est disponible sur le blog :

Du génie mécanique pour les cyclistes olympiques

DDu génie mécanique pour les cyclistes olympiques

Les athlètes ne sont pas les seuls à préparer les Jeux Olympiques 2024. Si Gabriel Lanaspeze, diplômé de l’INSA Lyon et docteur en génie mécanique, n’est pas un habitué des vélodromes, il a tout de même consacré ses trois dernières années de thèse à optimiser la transmission par chaîne des cyclistes de piste français. Inscrits dans le cadre du programme « Sciences 2024 » dont l’objectif est d’accompagner les athlètes français dans leur quête de titre aux Jeux Olympiques et Paralympiques à Paris en 2024, les travaux de Gabriel Lanaspeze ont participé à répondre aux enjeux techniques posés par la fédération de cyclisme. Car les cyclistes sur piste de très haut niveau, lancés à vive allure, peuvent s’en remettre aux lois physiques et mécaniques pour optimiser leurs performances.

Vos travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre d’un vaste programme de recherche collectif dédié à l’accompagnement des athlètes français dans leur quête de titres aux Jeux Olympiques et Paralympiques de Paris 2024. Pourriez-vous résumer les grandes lignes du programme ?
L’idée du programme Sciences 2024 est de faire remonter les questions des sportifs, entraîneurs et techniciens, jusqu’aux laboratoires de recherche scientifiques français. La Fédération Française de Cyclisme (FFC) s’est adressée, entre autres structures de recherches, au LaMCoSpour répondre théoriquement et expérimentalement à certaines problématiques techniques et mécaniques auxquelles les coureurs peuvent être régulièrement confrontés. Un des enjeux principaux de ce programme est l’interface entre la communauté scientifique et celle des sportifs. En effet, les enjeux sont différents entre les deux mondes. Parfois, il peut y avoir des incompréhensions, des priorités différentes ou des résultats qui peuvent s’avérer intéressants pour un scientifique et qui n’est pas vraiment celui attendu par un entraîneur. Ce sont deux mondes très différents qui essaient de communiquer à travers Sciences 2024. Il y a un vrai enjeu de vulgarisation et de communication !

Vos travaux ont principalement porté sur le cyclisme sur piste, un sport où la science mécanique est, en raison de l’influence du matériel utilisé, assez importante. Les enjeux mécaniques doivent être nombreux ?
Effectivement, le cyclisme sur piste est une discipline très différente des autres disciplines comme les compétitions sur route, BMX ou VTT. D’abord, les coureurs évoluent dans des conditions très contrôlées, en vélodrome. (…)*

Lire la suite de l’interview

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[1] Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (INSA Lyon/CNRS/UdL).

 

 

 

 

Marathon : dompter la résistance de l’air

MMarathon : dompter la résistance de l’air

Une équipe de chercheurs du Laboratoire de mécanique des fluides et d’acoustique (LMFA) s’est penchée sur les gains procurés par l’effet d’aspiration dont bénéficie un coureur de marathon précédé d’un « lièvre ».

En mai 2019, le Kenyan Eliud Kipchoge courait les 42 kilomètres du marathon en 1 heure, 59 minutes et 40 secondes. Jamais un athlète n’était passé sous la barre des deux heures. Cette course était une démonstration sportive atypique : en effet, le double champion olympique n’y avait pas d’adversaire, et certains aménagements avaient été apportés afin de lui permettre d’aller jusqu’au bout de ses capacités. Parmi ces aménagements, l’emploi de « lièvres » : sept athlètes couraient devant et derrière lui en se relayant tous les 5 kilomètres afin de lui offrir cet effet d’aspiration que connaissent si bien les cyclistes.

Pour tenter de comprendre ce phénomène, une équipe du LMFA a imaginé une expérience mettant en jeu une soufflerie – un tunnel instrumenté dans lequel on fait passer un écoulement d’air – et des figurines de 17 centimètres de haut représentant les marathoniens. Les scientifiques comptaient ainsi mesurer l’avantage que ces meneurs apportent au coureur…

>> Lire l’article complet sur le site :

CNRS

Étonnante physique

ÉÉtonnante physique

Pour l’année de la physique le CNRS vous propose un ouvrage collectif  Étonnante physique . Plongez au cœur de cette discipline multi-millénaire qui accompagne notre quotidien avec ses développements dans les domaines des matériaux, de la santé, de l’énergie, du climat…

Étonnante Physique est accessible à tous les curieuses et curieux de science souhaitant explorer les nombreux domaines couverts par cette discipline surprenante.

Parmi tous les chercheurs et les ingénieurs, femmes et hommes de l’art se trouve des chercheurs de Lyon et Villeurbanne :

  • Marie Le Merrer, médaille de bronze, 2020, ILM (Villeurbanne).
  • Charlotte Rivière, médaille de bronze, 2021, ILM (Villeurbanne).
  • Jacques Marteau, médaille de l’innovation, 2022, IP2IL (Lyon).
  • Antoine Venaille, médaille de bronze, 2020, LPENSL (Lyon).
  • Michael Bender, médaille d’argent, 2021, IP2IL (Lyon).
  • Thierry Douillard, Bérangère Lesaint, Annie Malchère – Structures nano et micro-structures, médaille de cristal collectif, 2020, MatéiS (Villeurbanne).
  • Laurent Pinard – Miroirs Ondes Gravitationnelles, médaille de cristal collectif, 2022, IP2IL-LMA (Lyon).

>> La présentation du livre :

 

 >> Pour plus d’informations sur l’Année de la Physique :

Année de la physique CNRS

Pourquoi la science des fluides est au cœur des défis du 21e siècle | The Conversation

PPourquoi la science des fluides est au cœur des défis du 21e siècle | The Conversation

Le sillage des éoliennes du parc offshore Horns Rev 1, à 14 km de la côte ouest du Danemark, en 2008.
Christian Steiness pour Vattenfall

 

Le monde dans lequel nous vivons, à commencer par l’air et l’eau qui nous entourent et le soleil qui nous éclaire et nous réchauffe, ainsi que l’écrasante majorité de la matière de l’univers sont fluides. La science des fluides permet d’y voir plus clair dans la plupart des phénomènes naturels ou vivants à la surface de la Terre, mais aussi dans la quasi-totalité des activités humaines, de la santé à l’industrie en passant par les transports et l’énergie… et de leur impact sur le climat et l’environnement.

Ainsi, une étude britannique réalisée en 2021 estime par exemple l’impact des avancées de la recherche sur la science des fluides à 16 milliards d’euros et 45 000 emplois directs et plus de 500 000 emplois indirects, dans plus de 2000 entreprises du Royaume-Uni.

Mais, alors que les équations qui gouvernent la dynamique des fluides sont connues depuis 200 ans, cette science achoppe encore sur leur complexité mathématique phénoménale. À ces équations très générales, on ne sait donner de solutions générales et on résout actuellement les problèmes au cas par cas. Mais les avancées en informatique et en imagerie ultra-résolue pourraient changer la donne dans la prochaine décennie.

LLa traînée aérodynamique, ou pourquoi rouler moins vite permet de faire des économies d’énergie (même si on roule plus longtemps)

Un exemple emblématique et quotidien de l’importance de la science des fluides est la traînée aérodynamique. Cette force qu’exerce un fluide sur tout objet s’y déplaçant, nous la ressentons pleinement lorsque nous sortons la main en roulant sur une route de campagne, ou lorsque nous pédalons face au vent. Elle s’oppose au mouvement : l’air « résiste » à notre passage. Elle représente l’une des principales causes de la consommation énergétique de nos véhicules, qu’ils soient terrestres, aériens ou maritimes.

schéma du corps d’un cycliste et de la trainée aérodynamique correspondante
Le sillage aérodynamique est un élément clef pour améliorer le rendement des moyens de transport. Les nouvelles techniques d’imagerie à haute résolution permettent aujourd’hui de visualiser la dynamique des écoulements tridimensionnelles complexes se développant dans les sillages.
Constantin Jux, Andrea Sciacchitano, Jan F. G. Schneiders et Fulvio Scarano dans la revue Experiments in Fluids, 2018, CC BY

En effet, un résultat majeur de la science des fluides dicte que la puissance instantanée dissipée par cette résistance aérodynamique (l’énergie que l’on doit dépenser à tout instant pour combattre la résistance de l’air) augmente très fortement avec la vitesse. Techniquement, elle augmente avec le cube de la vitesse. Donc réduire sa vitesse de moitié permet d’abaisser d’un facteur huit la consommation instantanée du véhicule. Ainsi, bien que rouler deux fois moins vite implique de rouler deux fois plus longtemps pour parcourir la même distance, la consommation totale intégrée sur la durée du trajet sera alors réduite d’un facteur quatre. Le simple fait de réduire de 10 % sa vitesse (par exemple en roulant à 117 km/h eu lieu de 130 km/h) permet de diminuer de 30 % les pertes aérodynamiques instantanées et de 20 % les pertes intégrées sur la totalité d’un trajet.

Les conséquences énergétiques (et donc écologiques et économiques) de cette simple « loi cubique » de l’aérodynamique sont sans appel : rouler moins vite permet de faire des économies d’énergie même si on roule plus longtemps.

La relation cubique entre la vitesse et la puissance est également à la base de l’efficacité de la production d’énergie éolienne et hydrolienne qui croît également comme le cube de la vitesse du vent ou du courant.

LLa turbulence des fluides : une mise en abîme tourbillonnaire

Cette loi cubique n’est qu’une des manifestations des écoulements dits turbulents. Bien qu’elle soit le plus souvent invisible, la turbulence est omniprésente, à cause de la très faible viscosité des fluides qui nous sont les plus familiers : l’eau et l’air.

imagerie de fluorescente de volutes
Le mélange de deux fluides implique des tourbillons d’échelles très différentes – comme avec volutes de fumée de tabac par exemple. Ici, grâce à l’imagerie de fluorescence, on ne visualise qu’une tranche laser d’un processus 3D, ce qui permet de mieux appréhender les structures imbriquées de la cascade.
Mickael Bourgoin, ENS Lyon, Fourni par l’auteur

Qui ne s’est jamais émerveillé devant des volutes de fumée, en observant les remous d’une rivière, en mélangeant des colorants en cuisine ou en contemplant les images des tourbillons à la surface de Jupiter ?

La prochaine fois que vous observerez l’un de ces phénomènes, soyez attentifs à la façon dont les tourbillons s’imbriquent les uns dans autres : les grands tourbillons transportent les plus petits tourbillons, dans une sorte de mise en abîme que les scientifiques appellent cascade turbulente.

chute d’eau dessinée par Léonard de Vinci
Études sur l’eau de Léonard de Vinci au début XVIᵉ siècle. Dessin de la chute d’eau d’une écluse dans un bassin, illustrant la cascade turbulente et l’imbrication des petits tourbillons dans les grands.
Royal Collection Trust Copyright Sa Majesté la Reine Elizabeth II 2018

Léonard de Vinci avait déjà remarqué l’universalité de cette organisation dans les écoulements turbulents, mais 500 ans plus tard, la compréhension de cette dynamique multiéchelle et aléatoire (mais non complètement désordonnée) de la turbulence reste l’un des plus grands mystères et l’un des principaux défis de la science contemporaine.

Malgré la complexité des phénomènes physiques sous-jacents, nous acquérons dès le plus jeune âge un savoir empirique nous incitant à « touiller » pour mélanger. Sans le savoir, nous déclenchons ainsi la turbulence. Nous lui devons aussi la dispersion et la dilution des polluants et des aérosols anthropiques dans l’atmosphère, sans lesquelles nos villes seraient irrespirables.

Nous ne sommes en revanche toujours pas capables de prédire comment les mouvements très intermittents de la turbulence (qu’elle soit atmosphérique, océanique, industrielle, etc.) sont capables de déclencher des événements extrêmes et des changements drastiques du comportement à grande échelle des écoulements.

Le détournement spontané du Gulf Stream (scénario du film Le Jour d’après), la modification du mouvement du noyau externe de la Terre (scénario du film Fusion), l’apparition soudaine d’une tornade, la perte soudaine de la portance d’une aile trop inclinée sont des exemples de ces transitions brutales et extrêmes, que les scientifiques observent également dans leurs expériences et simulations numériques, mais que nous n’arrivons pas à prédire.

Les enjeux liés à la compréhension de la turbulence sont donc de taille et conditionnent notre capacité à espérer un jour être en mesure de prédire l’imprévisible, d’anticiper plus finement le dérèglement climatique et ses conséquences, d’améliorer la sécurité de nos installations industrielles et énergétiques, et plus généralement d’innover dans tous les secteurs d’activités où interviennent les fluides, depuis les biotechnologies jusqu’au développement des industries, des énergies et des transports verts de demain.

LLes nanofluides : un immense potentiel aux plus petites échelles

flux expérimental
Expérience imitant le flux de fluide dans un sol avec des grains de tailles très différentes. Le flux est visualisé grâce à des particules fluorescentes.
Dorothee Luise Kurz, ETH Zurich, CC BY-NC-ND

La science des fluides est cruciale aussi pour maîtriser des écoulements confinés à très petite échelle, comme ceux qu’on rencontre dans nos vaisseaux sanguins, dans nos cellules, ou dans le sol.

La « microfluidique » a connu un essor fulgurant au tournant du XXIe siècle, révolutionnant la technologie des laboratoires sur puce, et de leurs applications à la chimie analytique, la biologie et la médecine, telle que l’étude de l’ADN et ses mutations par exemple.

L’heure est à présent à la « nanofluidique », étudiant les écoulements à l’échelle du millionième de millimètre. La maîtrise de ces écoulements est complexe, car la nanofluidique se trouve à la frontière d’une description continue des fluides et de la nature moléculaire et atomique, voire quantique, de la matière. Elle ouvre pourtant aujourd’hui des perspectives technologiques très prometteuses, par exemple vers des applications à la production d’énergie renouvelable par des flux osmotiques, entre des réservoirs d’eau douce et d’eau salée, à travers des nanopores dans des membranes spécialement conçues.

microscopie de flux à l’échelle micrométrique
Le fluide rouge est utilisé pour focaliser le flux de fluide vert (qui coule de droite à gauche), jusqu’à une épaisseur d’environ 20 micromètres.
Ihor Panas, Wikipedia, CC BY

LLe paradoxe de la théorie des fluides

Mais malgré ce rôle central des fluides dans notre vie et notre univers, et alors que nous célébrons cette année le bicentenaire de l’établissement des équations maîtresses de la dynamique des fluides (dites « de Navier-Stokes »), leur utilisation reste encore limitée en pratique. Pour certains fluides, comme les nanofluides ou les fluides dits complexes (rhéoépaississants, rhéofluidifiants, etc.), la théorie doit notamment être complétée par une compréhension raffinée de leurs propriétés physiques particulières (souvent passionnantes). Mais les limitations de la théorie des écoulements fluides sont avant tout mathématiques, même pour les fluides simples les plus courants comme l’eau et l’air.

En effet, les équations de Navier-Stokes sont réputées exactes pour décrire de manière très générale les écoulements des fluides simples dans presque toutes les situations, mais leur complexité mathématique est telle que leur résolution mathématique n’est possible en pratique que dans un nombre très restreint de situations. À tel point que les scientifiques se posent encore des questions profondes sur l’existence et la nature même de leurs solutions.

simulation numérique d’écoulement turbulent
Simulation numérique à toute petite échelle et dans des conditions idéalisées d’un écoulement turbulent de deux fluides de viscosité différente (bleu et rouge). Cette simulation, avec une précision d’environ 100 milliards de nœuds de maille, a nécessité l’utilisation de 80 millions de cœurs de CPU pendant 7 jours en continu, afin de simuler l’équivalent de quelques secondes d’écoulement.
M. Gauding

On pourrait croire que, disposant aujourd’hui d’ordinateurs ultra-puissants, nous sommes capables de résoudre numériquement ces équations à défaut de pouvoir la résoudre analytiquement. Mais on se heurte en fait à deux difficultés quasiment insurmontables, liées à deux propriétés fondamentales des équations de Navier-Stokes : leur nature non locale et non linéaire.

La non-localité implique qu’il n’est pas possible de connaître l’état d’un fluide à un endroit donné sans connaître sa dynamique partout ailleurs (du moins sur une étendue suffisamment vaste autour de la zone d’intérêt) : la météo au-dessus de l’hexagone est ainsi affectée par l’anticyclone des Açores. Prédire un écoulement à un endroit donné d’un système requiert donc de résoudre les équations sur l’ensemble du système.

La non-linéarité est à l’origine de la turbulence et de la formation de tourbillons erratiques de toute taille, la cascade turbulente. La gamme d’échelles entre les plus petits et les plus grands tourbillons peut s’avérer pharaonique : dans l’atmosphère par exemple, des tourbillons existent depuis les échelles millimétriques, jusqu’à des cyclones et anticyclones pouvant atteindre de milliers de kilomètres.

Pour ces raisons, pour simuler de nombreux écoulements (industriels et naturels) de façon réaliste, il faudrait des ordinateurs bien plus gros que ceux disponibles de nos jours. À titre d’exemple, une simulation directe de la basse atmosphère nécessiterait 5 milliards de milliards de milliards de nœuds de maille alors que les plus gros calculateurs au monde, comme le supercalculateur Jean Zay en France, ne sont capables de résoudre raisonnablement les équations de Navier-Stokes « que » sur un maillage comprenant de l’ordre de mille milliards de nœuds de maille).

Ainsi, bien qu’elle soit connue depuis deux siècles, la théorie du mouvement des fluides est en pratique difficilement exploitable en l’état.

UUne science amenée à se renouveler en permanence

Des approches alternatives sont donc indispensables. Elles sont basées sur l’expérimentation, sur l’observation, et plus récemment sur les méthodes d’intelligence artificielle.

Le développement d’outils prédictifs et préventifs, tractables sur nos calculateurs, passe par la mise au point de « modélisations réduites » pour lesquelles le nombre de points de maille nécessaires est considérablement réduit par rapport à ceux requis pour une simulation numérique directe des équations de Navier-Stokes. Ces modèles s’appuient sur ces équations maîtresses, mais ne résolvent explicitement que les plus grandes échelles de la cascade turbulente. La contribution des plus petites échelles est décrite de manière globale par à un nombre restreint de paramètres (par exemple sous la forme d’une viscosité, d’une diffusivité, d’un forçage… effectifs) qu’il s’agit de déterminer au cas par cas par des recherches approfondies sur les phénomènes physiques sous-mailles et de leur impact à grande échelle.

une modélisation des océans terrestres
Les modélisations du climat doivent inclure des échelles très différentes pour prendre en compte les mécanismes pertinents à la surface de la Terre – ici la température des océans et leur vorticité sont modélisées, mais seules les échelles supérieures à 100 kilomètres sont vraiment résolues et l’ensemble des processus se déroulant à une échelle plus fine sont décrits par des modèles approchés – convection, nuages, vagues, couplage avec le relief, couplage océan/atmosphère, etc.
Los Alamos National Lab, CC BY-NC-ND

Ces modélisations, par essence parcellaires, sont en permanence ajustées et améliorées à mesure que les besoins évoluent et que notre capacité à tester les modèles et décrire les phénomènes des petites échelles à partir de données expérimentales, observationnelles et numériques se perfectionne.

La révolution de l’imagerie numérique à haute cadence et à haute résolution de la dernière décennie, des technologies neuromorphiques, l’évolution constante des supercalculateurs (y compris la révolution attendue de l’ordinateur quantique) et les méthodes novatrices basées sur l’apprentissage et l’intelligence artificielle laissent entrevoir des avancées spectaculaires quant à nos capacités à mesurer, modéliser et prédire la dynamique des fluides, indispensables aux ruptures requises pour affronter les grands enjeux sociétaux du moment : la transition écologique et énergétique, le climat et la santé.The Conversation

 

Article publié sur The Conversation le 19 juin 2023

Mickael Bourgoin, Directeur de recherche CNRS en hydrodynamique au Laboratoire de Physique à l’ENS de Lyon, ENS de Lyon

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.