turbulence.
Publié le 08/12/2021
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turbulence. n.f. PHYSIQUE : évolution spatiale et temporelle d'un phénomène caractérisée
par l'absence d'ordre, la coexistence d'échelles très différentes et l'impossibilité d'une
reproduction ou d'une prévision détaillée. Le comportement turbulent est commun à des
phénomènes très variés, tels les écoulements atmosphériques, certaines réactions chimiques
et le mouvement d'une boussole soumise à un champ magnétique fixe et à un champ
tournant. L'apparition de la turbulence correspond à une modification qualitative de la nature
du mouvement. Un écoulement laminaire, pour lequel toutes les couches de liquide ont des
vitesses parallèles, devient turbulent lorsque se forment diverses structures telles que des
tourbillons et des noeuds, de grande et de petite échelle, qui coexistent avec des zones
restant laminaires.
Un ou plusieurs paramètres gouvernent l'évolution « chaotique » d'un système vers la
turbulence. Pour une circulation d'eau, c'est le débit qui contrôle le type de l'écoulement.
Lorsque celui-ci augmente, la transition d'un état de repos vers le régime turbulent s'effectue
généralement en passant par divers états ordonnés de complexité croissante. Le passage
d'un état à l'autre, appelé bifurcation, apparaît de façon soudaine. Cependant, des systèmes
se trouvant dans des états initiaux voisins évoluent dans le temps de manière totalement
différente. Les systèmes chaotiques sont en effet extrêmement sensibles aux conditions
initiales.
Les différentes explications.
D'un point de vue théorique, l'existence des écoulements turbulents résulte de la nonlinéarité des équations qui gouvernent le mouvement (équations de Navier-Stokes).
Jusqu'aux années soixante-dix, la turbulence était associée au grand nombre de degrés de
liberté dynamiques que peut prendre un système (théorie de Landau). Chaque apport
d'énergie déclenche l'apparition d'une nouvelle fréquence de résonance incommensurable
avec les précédentes et correspondant au nouveau degré de liberté exploré. Cette
tentative d'explication, qui attribue l'origine de la turbulence à une perturbation extérieure
au système, ne rend pas compte de la sensibilité aux conditions initiales. D'autre part, la
montée progressive de la complexité n'est que très rarement observée. En disposant, par
exemple, un liquide entre deux cylindres dont l'un est fixe et dont l'autre tourne à une
vitesse croissante, la première transition turbulente, observée à une fréquence bien définie,
n'est suivie que d'une transition brutale vers le chaos.
L'explication de Landau est aujourd'hui abandonnée au profit d'une approche (théorie
de Ruelle-Takens) qui associe le comportement chaotique à un phénomène intrinsèque des
systèmes dynamiques. Un comportement chaotique peut en effet apparaître dans des
systèmes déterministes et composés d'un petit nombre de variables dynamiques : trois
mouvements indépendants engendrent toute la complexité de la turbulence. Dans ce
nouveau cadre, la turbulence est caractérisée par un « attracteur étrange ». En effet, la
connaissance complète d'un système dynamique se réduit à un point du diagramme
position-vitesse (espace des phases). Un attracteur est le lieu de cet espace vers lequel un
système tend à se stabiliser. Pour un pendule freiné dans son oscillation, ce lieu de stabilité
est un point de vitesse nulle et de position fixe. Quand l'oscillation d'un pendule est
entretenue, l'attracteur décrit lors du mouvement possède un cycle limite qui est un cercle.
Un attracteur étrange est au contraire non périodique, car un système turbulent ne se
retrouve jamais dans le même état. Pour décrire toutes les fréquences de vibration
produites par la turbulence, la géométrie d'un « attracteur étrange » doit avoir une
longueur infinie tout en restant confinée dans un espace fini : en d'autres termes, cette
géométrie doit être fractale.
Complétez votre recherche en consultant :
Les corrélats
chaos - 2.PHYSIQUE
frottement
hydrodynamique
Landau Lev Davidovitch
mélangeur
molécules interstellaires
physique - La physique au XXe siècle - La physique à la fin du XXe siècle
Les livres
physique - effet de turbulence, page 3890, volume 7
physique - turbulence dans un fluide, page 3893, volume 7
turbulence. n.f. PHYSIQUE : évolution spatiale et temporelle d'un phénomène caractérisée
par l'absence d'ordre, la coexistence d'échelles très différentes et l'impossibilité d'une
reproduction ou d'une prévision détaillée. Le comportement turbulent est commun à des
phénomènes très variés, tels les écoulements atmosphériques, certaines réactions chimiques
et le mouvement d'une boussole soumise à un champ magnétique fixe et à un champ
tournant. L'apparition de la turbulence correspond à une modification qualitative de la nature
du mouvement. Un écoulement laminaire, pour lequel toutes les couches de liquide ont des
vitesses parallèles, devient turbulent lorsque se forment diverses structures telles que des
tourbillons et des noeuds, de grande et de petite échelle, qui coexistent avec des zones
restant laminaires.
Un ou plusieurs paramètres gouvernent l'évolution « chaotique » d'un système vers la
turbulence. Pour une circulation d'eau, c'est le débit qui contrôle le type de l'écoulement.
Lorsque celui-ci augmente, la transition d'un état de repos vers le régime turbulent s'effectue
généralement en passant par divers états ordonnés de complexité croissante. Le passage
d'un état à l'autre, appelé bifurcation, apparaît de façon soudaine. Cependant, des systèmes
se trouvant dans des états initiaux voisins évoluent dans le temps de manière totalement
différente. Les systèmes chaotiques sont en effet extrêmement sensibles aux conditions
initiales.
Les différentes explications.
D'un point de vue théorique, l'existence des écoulements turbulents résulte de la nonlinéarité des équations qui gouvernent le mouvement (équations de Navier-Stokes).
Jusqu'aux années soixante-dix, la turbulence était associée au grand nombre de degrés de
liberté dynamiques que peut prendre un système (théorie de Landau). Chaque apport
d'énergie déclenche l'apparition d'une nouvelle fréquence de résonance incommensurable
avec les précédentes et correspondant au nouveau degré de liberté exploré. Cette
tentative d'explication, qui attribue l'origine de la turbulence à une perturbation extérieure
au système, ne rend pas compte de la sensibilité aux conditions initiales. D'autre part, la
montée progressive de la complexité n'est que très rarement observée. En disposant, par
exemple, un liquide entre deux cylindres dont l'un est fixe et dont l'autre tourne à une
vitesse croissante, la première transition turbulente, observée à une fréquence bien définie,
n'est suivie que d'une transition brutale vers le chaos.
L'explication de Landau est aujourd'hui abandonnée au profit d'une approche (théorie
de Ruelle-Takens) qui associe le comportement chaotique à un phénomène intrinsèque des
systèmes dynamiques. Un comportement chaotique peut en effet apparaître dans des
systèmes déterministes et composés d'un petit nombre de variables dynamiques : trois
mouvements indépendants engendrent toute la complexité de la turbulence. Dans ce
nouveau cadre, la turbulence est caractérisée par un « attracteur étrange ». En effet, la
connaissance complète d'un système dynamique se réduit à un point du diagramme
position-vitesse (espace des phases). Un attracteur est le lieu de cet espace vers lequel un
système tend à se stabiliser. Pour un pendule freiné dans son oscillation, ce lieu de stabilité
est un point de vitesse nulle et de position fixe. Quand l'oscillation d'un pendule est
entretenue, l'attracteur décrit lors du mouvement possède un cycle limite qui est un cercle.
Un attracteur étrange est au contraire non périodique, car un système turbulent ne se
retrouve jamais dans le même état. Pour décrire toutes les fréquences de vibration
produites par la turbulence, la géométrie d'un « attracteur étrange » doit avoir une
longueur infinie tout en restant confinée dans un espace fini : en d'autres termes, cette
géométrie doit être fractale.
Complétez votre recherche en consultant :
Les corrélats
chaos - 2.PHYSIQUE
frottement
hydrodynamique
Landau Lev Davidovitch
mélangeur
molécules interstellaires
physique - La physique au XXe siècle - La physique à la fin du XXe siècle
Les livres
physique - effet de turbulence, page 3890, volume 7
physique - turbulence dans un fluide, page 3893, volume 7
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