Pourquoi des scientifiques s’amusent-ils à faire fondre du caramel dans de l’eau ? Au laboratoire Matière et systèmes complexes (CNRS, université Paris Cité), des chercheurs en mécanique des fluides utilisent des blocs de sel ou de sucre pour étudier les effets de l’écoulement de l’eau sur des roches solubles. « Le caramel se dissout plus rapidement que ne le fait le calcaire en formant les stalactites dans les grottes », justifie Martin Chaigne, doctorant, premier signataire d’un article paru le 31 juillet dans la revue PNAS.
Habituellement, ce sont les effets de l’eau versée au-dessus du caramel ou du sel qui font l’objet de toutes les attentions lors des expériences réalisées dans ce laboratoire pour tenter de reproduire les motifs dessinés par les écoulements sur les parois des grottes. Ces travaux de géomorphologie ont d’ailleurs permis de comprendre que ces mécanismes ne dépendent pas de la nature de la roche.
Cette fois, en accrochant un bloc de caramel sous un flotteur, un cube creux en plastique, ils ont observé que sa dissolution faisait office de propulseur. La technique d’ombroscopie – qui permet de visualiser l’ombre portée d’objets transparents – dévoile les fins panaches d’eau chargée en sucre qui s’écoulent vers le bas et vers l’arrière et qui induisent la propulsion du « bateau ». Celui-ci accélère avant de se stabiliser à une vitesse maximale de 5 millimètres par seconde, soit 18 mètres par heure.
Panaches turbulents sous la plaque de bonbon
Pour étudier le cas de figure d’écoulements sous un plan, Martin Chaigne et Michael Berhanu, du même laboratoire, ont eu l’idée de rendre le support mobile. L’équipe qui a travaillé sur ce projet avec Arshad Kudrolli, du département de physique de l’université Clark (Massachusetts), a ainsi fabriqué neuf bateaux de 33 grammes chacun en moyenne sous lesquels était fixée une tablette de bonbon en sucre caramélisé de 7,5 centimètres sur 4 millimètres et 5 millimètres d’épaisseur. Surtout, ils ont choisi d’avoir un objet dissymétrique afin de pouvoir étudier sa dynamique. L’angle de l’ensemble par rapport à la surface de l’eau est déterminant dans l’efficacité de la propulsion. C’est à 22 degrés que le dispositif est le plus efficace, comme le montrent les vidéos publiées avec l’article.
La dissolution du sucre dans l’eau provoque des panaches turbulents sous la plaque de bonbon, mais la zone proche de la surface de l’eau autour du bateau ne montre aucune réfraction due à la présence de soluté qui pourrait signaler des gradients de tension de surface. C’est donc bien ces panaches d’eau sucrée qui, glissant vers l’arrière, mettent en mouvement le fluide autour d’eux et engendrent un écoulement de convection.
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