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.

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.

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.

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

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 XXI^e 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.

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.

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.

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.

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.

Alors que nous entrons dans l’ère du basculement prédit par le rapport Meadows au Club de Rome, les solutions du développement durable paraissent bien dépassées. Et si l’inversion ouvrait d’autres chemins créatifs, cachés ou contre-intuitifs, pour répondre aux grands défis de notre temps ?

Face à l’impasse de notre système socio-économique actuel, révélé par la multiplication des pénuries, des tensions géopolitiques et sociales, des turbulences écologiques, pourrait-on inverser notre économie, notre droit, nos traditions, notre culture… En un mot, notre monde, et parvenir à un autre équilibre ? En quoi les leçons du vivant peuvent-elles nous aider dans cette inversion ?

Découvrez les 3 vidéos du cours public 2023, proposé par le biologiste Olivier Hamant (ENS de Lyon).

Intervenant : Olivier Hamant est chercheur au laboratoire de reproduction et développement des plantes (École Normale Supérieure de Lyon). A la frontière entre biologie, physique et modélisation informatique, il a publié une centaine d’articles scientifiques, notamment sur la forme des plantes et la biophysique associée. Il a obtenu de nombreux prix dont les lauriers « jeune chercheur » de l’Inra, le prix du magazine « La Recherche », le prix Paul Doisteau – Emile Blutet de l’Académie des Sciences, le prix de la fondation Schlumberger pour l’éducation et la recherche. Il est également chercheur invité à l’Université de Cambridge (Royaume-Uni). En parallèle de ce travail de recherche, Olivier Hamant conduit des actions de formation sur la nouvelle relation de l’humanité à la nature, dans le cadre de l’Institut Michel Serres.

>> Vidéo de la 1^re séance : Un monde à l’envers

>> Vidéo de la 2^e séance : Un futur déjà obsolète ? 

>> Vidéo de la 3^e séance : Remède à la cohérence

Photo : Mélania Avanzato.

PPour aller plus loin

• Découvrir les séances du cours public 2021 de Olivier Hamant : Résilience des vivants

La première détection directe d’ondes gravitationnelles venant de la fusion de deux trous noirs en 2015 a ouvert une nouvelle fenêtre pour étudier les événements les plus violents de l’univers. Totalement complémentaire du spectre électromagnétique, ces vibrations de l’espace temps nous apportent des informations inédites sur l’évolution des objets les plus compacts que la nature ai engendrée.

À ce jour plus de 90 événements ont déjà été enregistrés et nous sommes à la veille d’une nouvelle période de prise de données avec des instruments toujours plus sensibles.Ces détections sont le fruit de 50 ans de recherche expérimentale pour aboutir à des détecteurs géants, des interféromètres optiques de plusieurs kilomètre de long. Au cœur de ses instruments, nous retrouvons les miroirs les plus précis au monde dont le traitement et la caractérisation a été faits à Lyon sur le campus de la Doua.

Cet exposé retracera les dernières découvertes des ondes gravitationnelles et l’infrastructure unique qui a été développé à Lyon pour répondre aux besoins des grandes optiques en astronomie. Nous verrons aussi les défis de la prochaine génération de miroirs.

>> Plus d’informations :

Société astronomique de lyon

Le frottement solide est le mécanisme clé de la dynamique des failles sismiques. La faille est maintenue bloquée grâce aux forces de frottement s’appliquant entre ses constituants. Elle entre en glissement quand les contraintes appliquées deviennent trop élevées, engendrant un séisme.

La physique du frottement est depuis longtemps étudiée (Léonard de Vinci fut le premier il y a 500 ans). En effet, le frottement est omniprésent sur Terre. Nous utilisons les frottements pour marcher, faire du vélo, grimper une falaise, il provoque l’usure des pièces mécaniques, produit du bruit… Le rôle des physiciens est de comprendre comment agit le frottement de manière universelle, aussi bien pour les pièces mécaniques que pour les failles sismiques.

Elsa Bayart, chargée de recherche CNRS à l’ENS Lyon, vous montrera qu’en réalisant des expériences de laboratoire, nous pouvons faire le lien entre les objets géologiques complexes que sont les failles et une simple interface frictionnelle entre deux solides. Nous cherchons à extraire les ingrédients minimaux nécessaires à la compréhension de la dynamique d’une faille. Nous verrons qu’il est possible de comprendre et modéliser des observations sismologiques à partir de systèmes modèles de laboratoires.

En partenariat avec l’Université Ouverte (Lyon 1).

>> Plus d’informations :

BM Part Dieu

Le concours national des Olympiades de Physique France aura lieu ce samedi 28 janvier sur le campus de la Doua  à Villeurbanne.

Les travaux des 25 équipes de lycéens et lycéennes vous seront présentés ainsi que  l’exposition  La Science Taille XX Elles. Une conférence destinée au grand public Le magnétisme : de la théorie d’Ampère à la naissance de la spintronique sera également donnée par Hélène Fischer.

Programme :

• De 10h à 15h30 : présentation des travaux et de l’exposition  La Science Taille XX Elles.
• À 17h : conférence (sur inscription gratuite) Le magnétisme : de la théorie d’Ampère à la naissance de la spintronique par Hélène Fischer, agrégée de sciences physiques, maîtresse de conférences à l’Université de Nancy 1. Ses recherches portent sur la croissance cristalline de nouveaux matériaux magnétiques et le nanomagnétisme.
• À 18h : remise des prix

>> Pour plus d’information :

Olymphys.fr

Venez découvrir en replay les nombreux ateliers de physique-chimie proposés à la BU Sciences Lyon 1. Ces ateliers vous font découvrir ou approfondir des phénomènes physiques ou chimiques par des démonstrations ludiques :

Revoir les ateliers

©Pexels

Pourquoi les propriétés des étoiles à neutrons sont-elles si difficiles à prédire ? En quoi leur observation pousse les scientifiques aux limites des moyens actuels ? À quoi peuvent-elles nous servir ?

Après un petit rappel historique de la découverte fortuite des étoiles à neutrons en 1967, voici quelques questions actuelles à l’interface entre l’astrophysique et la physique de l’infiniment petit qui seront illustrées dans cet exposé.

Société astronomique de Lyon

Soirée scientifique de l’Université Ouverte Lyon 1

Le nom « Ampère » vit et existe aujourd’hui à travers le monde. Ses expériences et découvertes sont si importantes qu’en 1881, le Congrès international des électriciens donna son nom à l’unité d’intensité du courant électrique, une des sept unités fondamentales du Système International d’unités. La célébration nationale du 200^ème anniversaire de la naissance de l’Électrodynamique est l’occasion de mettre à l’honneur Ampère, son œuvre multiforme de mathématicien, chimiste, philosophe et physicien…  Le but est de montrer qu’Ampère fut un des derniers savants au rayonnement universel et de redonner à l’électricité une image d’avenir auprès des jeunes et de toutes les populations.

Intervenants :

Xavier Dufour

Ingénieur, Agrégé de mathématiques, Professeur de mathématiques et de philosophie, Lycée Sainte-Marie, Lyon
Administrateur de la Maison d’Ampère

Patrick Leclerc

Vice-président de la Société de l’Électricité, de l’Électronique et des technologies de l’information et de la communication (SEE),
Administrateur de la Maison d’Ampère.

Conférence organisée par l’Université Ouverte Lyon 1 en partenariat avec la ville de Villeurbanne

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UNIVERSITE OUVERTE LYON 1

Le modèle cosmologique standard prédit que les galaxies naissent au sein de filaments de gaz et de matière noire. Pour la première fois, ces filaments ont pu être observés directement grâce à l’instrument MUSE installé sur le Très Grand Télescope (VLT) de l’ESO de l’Observatoire Paranal au nord du Chili.

Invité de l’émission La Terre au carré sur France Inter, Roland Bacon, Professeur à l’Université Claude Bernard Lyon 1 et chercheur à l’Observatoire de Lyon, nous en dit plus sur ce nouveau dispositif qui permet de remonter toujours plus loin dans l’histoire de notre Univers.

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