Un “paradoxe” vieux de 500 ans de Léonard de Vinci a enfin été résolu, selon une étude

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Statue de Léonard de Vinci. Image : Victor Ovies Arenas via Getty Images

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Il y a plus de 500 ans, Léonard de Vinci regardait des bulles d’air flotter dans l’eau – comme vous le faites quand vous êtes un polymathe de la Renaissance – lorsqu’il a remarqué que certaines bulles commençaient inexplicablement à tourner en spirale ou à zigzaguer au lieu de faire une ascension droite vers le surface.

Pendant des siècles, personne n’a proposé d’explication satisfaisante à cette étrange déviation périodique du mouvement de certaines bulles dans l’eau, qui a été appelé “Le paradoxe de Léonard.”

Maintenant, une paire de scientifiques pense avoir finalement résolu l’énigme de longue date en développant de nouvelles simulations qui correspondent à des mesures de haute précision de l’effet, selon une étude publiée mardi dans Actes de l’Académie nationale des sciences.

Les résultats suggèrent que les bulles peuvent atteindre un rayon critique qui les pousse dans des voies nouvelles et instables en raison des interactions entre l’écoulement de l’eau autour d’elles et les déformations subtiles de leurs formes.

“Le mouvement des bulles dans l’eau joue un rôle central pour un large éventail de phénomènes naturels, de l’industrie chimique à l’environnement”, ont déclaré les auteurs Miguel Herrada et Jens Eggers, chercheurs en physique des fluides à l’Université de Séville et à l’Université de Bristol respectivement, dans l’étude. “La montée dynamique d’une seule bulle sert de paradigme très étudié, à la fois expérimentalement et théoriquement.”

“Pourtant, malgré ces efforts, et malgré la disponibilité immédiate d’une énorme puissance de calcul, il n’a pas été possible de concilier les expériences avec des simulations numériques des équations hydrodynamiques complètes pour une bulle d’air déformable dans l’eau”, a poursuivi l’équipe. “Cela est particulièrement vrai pour l’observation intrigante, déjà faite par Léonard de Vinci, que des bulles d’air suffisamment grandes effectuent un mouvement périodique, au lieu de s’élever le long d’une ligne droite.”

Illustration de la bulle de Léonard de Vinci du Codex Leicester.

En effet, les bulles sont si omniprésentes dans notre vie quotidienne qu’il peut être facile d’oublier qu’elles sont dynamiquement compliquées et souvent difficiles à étudier expérimentalement. La montée des bulles d’air dans l’eau est influencée par une multitude de forces croisées, telles que la viscosité du fluide, le frottement de surface et tout contaminant environnant, qui déforment la forme des bulles et modifient la dynamique de l’eau qui les entoure.

Ce que da Vinci a noté, et d’autres scientifiques ont depuis confirmé, c’est que les bulles d’air avec un rayon sphérique beaucoup plus petit qu’un millimètre ont tendance à suivre un chemin direct vers le haut à travers l’eau, tandis que les bulles plus grosses développent une oscillation qui se traduit par une spirale ou un zigzag périodique. trajectoires.

Herrada et Eggers ont utilisé les équations de Navier-Stokes, qui sont un cadre mathématique pour décrire le mouvement des fluides visqueux, pour simuler l’interaction complexe entre les bulles d’air et leur milieu aqueux. L’équipe a pu identifier le rayon sphérique qui déclenche cette inclinaison – 0,926 millimètre, soit à peu près la taille d’une pointe de crayon – et décrire le mécanisme possible derrière le mouvement ondulé.

Une bulle qui a dépassé le rayon critique devient plus instable, produisant une inclinaison qui modifie la courbure de la bulle. Le changement de courbure augmente la vitesse de l’eau autour de la surface de la bulle, ce qui déclenche le mouvement d’oscillation. La bulle revient ensuite à sa position d’origine en raison du déséquilibre de pression créé par les déformations de sa forme incurvée, et répète le processus sur un cycle périodique.

En plus de résoudre un paradoxe vieux de 500 ans, la nouvelle étude pourrait éclairer une foule d’autres questions sur le comportement mercuriel des bulles et d’autres objets qui défient toute catégorisation facile.

“Alors qu’on croyait auparavant que le sillage de la bulle devenait instable, nous démontrons maintenant un nouveau mécanisme, basé sur l’interaction entre l’écoulement et la déformation de la bulle”, ont conclu Herrada et Eggers dans l’étude. “Cela ouvre la porte à l’étude des petites contaminations, présentes dans la plupart des contextes pratiques, qui imitent une particule quelque part entre un solide et un gaz.”

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