Comment réussir la tornade parfaite de la bière
Les bouteilles se vident généralement plus rapidement lorsqu'on les fait tourner. Mais des chercheurs viennent de montrer qu'une vitesse de rotation plus élevée n'est pas toujours meilleure.
Si vous voulez vider une bouteille le plus rapidement possible, vous pouvez utiliser une tornade : vous faites tourner la bouteille jusqu'à ce que le liquide tourne et forme un tourbillon. Si l'ouverture de la bouteille est orientée vers le bas, l'air pénètre dans la bouteille et atteint la surface du liquide au centre du tourbillon, ce qui permet au liquide de s'écouler rapidement. Ce phénomène est bien connu dans la vie de tous les jours, mais les études scientifiques à ce sujet étaient rares. Une équipe dirigée par la physicienne Aurore Caquas de l'Université Paris-Saclay vient de changer la donne. Le groupe de recherche a mené des expériences en laboratoire pour déterminer comment vider les réservoirs d'eau le plus rapidement possible. Comme elle le rapporte dans la revue "Physical Review Fluids", il existe une vitesse de rotation optimale pour les récipients cylindriques qui permet de réaliser une tornade parfaite.
Au lieu d'expérimenter avec des bouteilles de bière, les spécialistes ont rempli d'eau un réservoir cylindrique en plexiglas d'environ 40 centimètres de haut et 29 centimètres de diamètre et l'ont placé sur une plateforme rotative. Ils ont travaillé avec deux ouvertures de réservoir de tailles différentes : l'une d'un diamètre d'à peine 1,3 centimètre et l'autre d'environ 2 centimètres.
Au cours des expériences sur les tornades, le liquide à l'intérieur du réservoir a eu un comportement plus complexe que prévu. En fonction de la quantité de liquide, du diamètre de l'orifice de sortie et de la vitesse de rotation, Caquas et son équipe ont trouvé trois états différents. À faible vitesse de rotation, un régime de "glou-glou" se forme d'abord : Des bulles d'air isolées entrent d'abord dans l'ouverture du réservoir avant que le liquide ne s'écoule. À des vitesses plus élevées, un tourbillon instable se forme à un moment donné - une sorte de tornade, mais qui n'est pas assez puissant pour permettre à l'air de s'écouler durablement de l'ouverture du réservoir jusqu'à la surface de l'eau. Cela ne devient possible qu'à des vitesses de rotation encore plus élevées dans la troisième phase, lorsque la tornade se stabilise et ressemble alors à un tourbillon au-dessus de l'écoulement d'une baignoire.
Il s'avère que la durée des trois états différents dépend fortement de la forme du récipient, de la quantité de liquide et de la vitesse de rotation. En d'autres termes, selon la vitesse à laquelle on fait tourner une bouteille, les transitions entre les phases de glouglou, d'instabilité et de tornade stable peuvent être longues dans certaines circonstances. Certes, une vitesse de rotation très élevée permet à l'eau de s'écouler extrêmement rapidement dans le régime tornade stable, mais la rotation rapide prolonge en même temps la durée de vie du régime instable. Dans les cas extrêmes, cela peut allonger le temps nécessaire pour vider le récipient au point que le processus s'effectue plus rapidement sans rotation (c'est-à-dire en phase de glouglou pur).
Comme l'ont découvert les physiciens, il existe une vitesse de rotation optimale pour laquelle les durées de vie des deux premières phases sont assez courtes et, en même temps, la tornade stable est suffisamment bien formée pour que l'eau s'écoule rapidement. A cette vitesse, le temps nécessaire pour vider le réservoir est minimal. Pour le dispositif expérimental spécifique du groupe de travail, la vitesse de rotation optimale (selon la taille de la sortie) était d'environ trois à quatre tours par minute. En revanche, lorsqu'elle dépassait huit tours par minute, le réservoir se vidait plus lentement que lorsqu'il était immobile.
La forme du réservoir étudié - tout comme son contenu - étant différente de celle d'une bouteille de bière, il n'est pas possible d'appliquer le résultat un à un à l'exemple le plus proche de la vie quotidienne. Pour calculer la vitesse de rotation optimale d'une tornade de bière, il faudrait étudier les différentes formes de bouteilles - et les effets éventuels de la présence de gaz carbonique dans le liquide. Mais là encore, il est fort probable qu'une rotation plus rapide ne donne pas nécessairement un meilleur résultat.
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Article original sur Spektrum.deDes experts de la science et de la recherche rendent compte des dernières découvertes dans leur domaine – de manière compétente, authentique et compréhensible.