Coriolis
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Autres rotationsOn a commencé par la Terre comme système en rotation car dans ce cas on peut vraiment voir les effets les plus impressionnants et sans les confondre avec les effets centrifuge.

Manège & Coriolis

On donne parfois l'exemple du Manège pour expliquer Coriolis mais comme la "force centrifuge" est elle-même en action à un plus fort niveau et on peut s'embrouiller.

Mettons donc que vous vous tenez sur un manège en rotation et que vous soyez situé près du centre de ce manège.

Vous voulez faire rouler une balle à une personne sur le manège également mais elle près du bord. Vous l'envoyez. La balle va aussi être déviée par effet Coriolis.

L'effet centrifuge, plus puissant, va aussi agir pour accélérer la balle vers l'extérieur du manège.

La vidéo ci-contre compare le point de vue du dessus et sur le manège : il existe une grande différence dans l'intensité de la déviation observée (contrairement à ce que affirme le narrateur en anglais, vu du dessus, on observe bien une déviation certes moins forte, par effet centrifuge).

La balle a un comportement « non intuitif » quand on filme sur le manège, non ? On dirait bien qu'il existe une force "mystérieuse".

Effet Coriolis "pur"
avec une surface parabolique

ASTUCE : il est possible d'observer seulement l'effet Coriolis en se débarassant à la fois de l'effet centrifuge et des frottements.

Comment procéder ?

Il suffit de créer une surface parabolique (pas n'importe laquelle : une courbure donnée pour une vitesse de rotation donnée), c'est à dire incurvée vers le haut.

Pourquoi cette forme ?

Intuitivement, vous connaissez déjà ces pistes circulaires pour voitures de course dont les bords sont relevées.

Plus précisemment ici, c'est tout simplement la forme que prend, par effet centrifuge, un liquide lorsqu'il est placé dans un récipient en rotation (axe au centre).

Au passage, voilà du coup comment fabriquer des miroirs astronomiques à courbure parfaite : un bain de mercure en rotation !

Le seul problème avec cette technique est que l'on ne peut pointer que vers le haut, parfaitement verticalement.

Ensuite, on utilise des palets des palets aéroglisseurs ou, c'est la même chose, des blocs de glace carbonique qui vont créer une fine couche de vapeur de CO2 en dessous de la surface en se réchauffant à la température du labo.

Voir Expérience du MIT.

Comme le montre la vidéo, si l'on jette un palet sans frottement sur une telle surface en visant le centre, l'observateur qui est immobile va voir le palet vers des oscillations verticales (idéalement, mais dans la réalité, une fine ellipse). Si l'observateur monte sur la parabole et tourne avec, il va voir le palet réaliser des cercles (cercles passant par le centre) ; il y a bien déviation par effet Coriolis pur.

Fontaine de Coriolis

Une autre démonstration percutante consiste à prendre un plateau tournant et à disposer un tuyau d'arrosage orienté vers l'intérieur.

Faites tourner le plateau !

Incroyable ! le jet va dans le sens contraire à l'intuition : il va dans le sens de la rotation !

Voilà encore un résultat qui n'est pas du tout intuitif et même choquant (c'est le cas de l'auteur de la vidéo qui parle d'un jet qui part "à l'envers").

Afin de comprendre, il suffit appliquer ce que vous avez compris précédemment de nos explications sur l'obus du tank.

Penser en particulier au fait qu'à la sortie du tuyau, la vitesse « latérale » linéaire de l'eau sera « relativement » de plus en plus importante par rapport à la vitesse latérale linéaire du plateau (attention : je ne parle pas la vitesse angulaire qui est partout la même !) au fur et à mesure que le jet d'eau se rapproche du centre.

Vous pouvez voir ici une vidéo de la fontaine coriolis (pop-up, en anglais, format Quicktime) et cette page montre une illustration assez claire de l'expérience et voici également une reproduction de l'expérience à faire chez soi. Cette expérience est très déconcertante.

Le saviez-vous ? : On peut tirer parti de Coriolis pour des astuces techniques. Comme on si vous plaçez un liquide sur un plateau tournant, le liquide va dessiner une parabole parfaite. Du coup, voilà comment fabriquer des miroirs astronomiques à courbure parfaite : un bain de mercure en rotation ! Le seul problème est que l'on ne peut pointer que vers le haut, parfaitement verticalement.

Patineuse & Coriolis

Afin de compléter cet exemple de la fontaine de Coriolis, on va parler d'un exemple très simple de rotation

Il s'agit de la patineuse qui rapproche ses bras dans le but d'accroître sa vitesse de rotation. On a essayé d'illustrer la même chose avec une chaise pivotante et des haltères sur la vidéo. Pour simplifier, considérons que les bras de la patineuse sont infiniment légers mais qu'elle tient à bout de bras des haltères. Avec les modèles de physique classique, on parle de conservation du moment cinétique.

Peut-être ! En attendant, il est clair à présent que l'on peut aussi tout à fait parler d'effet de Coriolis pour expliquer cette augmentation de vitesse.

En effet, la patineuse —par l'effort de ses bras sur les haltères— contrecarre l'effet de Coriolis. Par conséquent, les haltères —de par et d'autres de l'axe (le corps de la patineuse)— par réaction (troisième loi de Newton) vont créer un couple sur les bras : ce couple va accroître ainsi la vitesse de rotation de la patineuse !

Or, pour les haltères ou pour la patineuse, ce n'est pas le cas : l'effort réalisé fait que les bras, qui sont rétractés vers le buste, restent dans l'axe initial tout au long de leur progression vers le buste.

Si cela se fait ainsi, c'est en réalité parce que la patineuse (ou moi avec les haltères) a agi pour les garder dans l'axe !

Il faut avouer qu'on ne se rend pas bien compte de cet effort particulier lorsqu'on réalise l'expérience mais il est nécessairement effectué sinon, les bras ne reviendraient pas en ligne droite mais dévierait d'autant plus fort qu'ils se rapprochent de l'axe central.

La vidéo ci-contre est similaire à celui plus classique de la patineuse : des personnes sur le bord extérieur d'un manège cherchent à se rendre au centre : la vitesse de rotation s'accroît fatalement lorsque l'on vise le centre.

Colonne de Taylor & Coriolis

C'est un peu technique et déborde (c'est le cas de le dire !) sur la mécanique des fluides mais c'est suffisamment intéressant pour le signaler.

Un "fan" de mécanique des fluides, Taylor, a eu l'idée de verser du colorant dans un liquide dont le récipient était en rotation (autour d'un axe central).

Le résultat est surprenant à première vue.

On constate que le colorant ne se diffuse pas horizontalement mais verticalement, dans une "colonne" du fluide.

En réalité, l'effet Coriolis est à l'oeuvre et lutte contre la diffusion horizontale du colorant qui doit suivre un chemin circulaire avec de très petits rayons.

Dans la vidéo ci-contre, on peut voir un récipient en rotation (la caméra tourne avec, c'est pour cela que la main de l'opérateur fait le tour ; en réalité, il est toujours au même endroit) et on engendre des remous turbulents avant de verser les colorants. Il y a deux caméras : celle du haut est en réalité une vue en coupe du récipient (afin de constater la diffusion verticale)

CyclonesLes grandes masses d'air obéissent bien à l'effet Coriolis.

Vous savez à quoi ressemble un cyclone : une masse de nuage qui s'enroule sur elle-même et avec la présence d'un "oeil" plutôt calme.

Pour comprendre ce qu''il se passe dans les cyclones, il faut généraliser d'abord avec la météorologie.

Soufflons un peu et parlons VENTS !

Comment le vent nait-il dans le ciel ?

REPONSE : à cause des différences de pressions (dues elles même à des différences de température) entre "coins du ciel".

Si vous avez quelques vagues notions, il existe des isobares (lignes courbes refermées et de même pression, comme le nom l'indique).
Une particule d'air a donc tendance à aller naturellement d'une isobare de haute pression vers une isobare de basse pression.

Or on sait maintenant que tout ce qui se meut sur et DANS l'HEMISPHERE NORD de notre Terre en rotation , va subir un effet de Coriolis qui dévie vers la DROITE du mouvement (lorsque l'observateur se déplace avec la Terre).

Une particule d'air donnée va donc aussi être déviée vers la droite (dans notre hémisphère nord) et cela jusqu'à ce que la force due à la différence de pression (qui initie le mouvement de cette particule d'air) et la force de Coriolis se retrouvent alignées, de même intensité mais de sens opposé : il y a équilibre des 2 forces.

C'est l' "équilibre géostrophique" dans le jargon des météorologue.

Cela signifie qu'une particule d'air identifiée va alors finir suivre un chemin parallèle aux isobares.

Le tout est donc de déterminer dans quel sens !
Cela dépend en réalité d'où se trouve l'isobare de haute pression et celle de basse pression : ou encore la particule a-t-elle suivi un mouvement centripète (vers l'intérieur) ou centrifuge (vers l'extérieur) ?

CONCLUSION : dans l'hémisphère nord (la photo ci-dessus est une masse dans l'hémisphère austral, juste pour voir si vous suivez), pour les masses d'air avec centres basse pression (les cyclones en particulier), le mouvement se fait contrairement aux aiguilles d'une montre.

Euuuh, attends-là, le sens inverse des aiguilles d'une montre, cela veut dire que la masse d'air est déviée vers la GAUCHE ! ? On disait que la particule d'air est déviée vers la DROITE ! Je ne comprends plus !

Le dessin ci-dessous (qui reste purement qualitatif : les flêches ne devraient pas être toutes aussi grandes en réalité) va vous éclairer sur ce qui se passe. Si la Terre ne tournait pas, la particule d'air irait tout droit vers le centre, là ou la pression est la plus faible.

Comme la Terre tourne, n'importe quel mouvement est affecté par l'effet Coriolis et dévie vers la droite par rapport à la trajectoire sans rotation de la Terre.

Il se produit donc un enroulement des masses d'air et le tout s'enroule vers dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, donc vers la GAUCHE effectivement.

Faisons remarquer par contre que l'ensemble "cyclone" (tel n'importe quel objet) qui se déplace lui aussi dans l'atmosphère, va être dévié vers la DROITE.

Note : bien sûr, s'il on avait regardé une masse d'air à centre de haute pression dans l'hémisphère nord, cela aurait été l'inverse.

Je suis perplexe : on a dit que l'effet de Coriolis se révélait lorsque l'observateur était sur un référentiel en rotation …Mais alors, pourquoi VOIT-ON des cyclones se manifester depuis l'espace ?

Aaaah ! Excellente tentative d'objection !

En réalité, il ne faut pas oublier que le dessin ci-dessus n'est valable que dans le cas ou l'observateur tourne avec la Terre (un peu comme un satellite géostationnaire) : nous ne sommes pas dans un référentiel absolu de type galilléen dans le cas de ce dessin!.

OK, mais que devient ce schéma si on devient "un satellite non geostationnaire" mais "posé de manière absolue dans l'espace".

Si on veut sortir de ce schéma, il faut reprendre toute notre précédente analyse avec les boulets de canon ! (orientation Nord-Sud et Est-Ouest).

Si on s'amuse à décomposer la trajectoire des particules d'air avec nos précédentes histoires de boulets de canon et dans un référentiel externe et galiléen, on constate bien que ces particules d'air finissent bien par s'enrouler autour du centre de la dépression qui les attire (centre qui se déplace suivant une parallèle en accompagnant la rotation de la Terre) et qu'elles n'atteindront jamais.

Quand on aura le temps, on fera une animation afin de vous convaincre définitivement.

OK mais au fait, que se passe-t-il pour un cyclone à l'équateur ?

Comme l'effet de Coriolis est quasi-nul autour de l'équateur, une particule d'air attiré par une dépression locale situé au Nord ou au Sud d'elle peut s'y rendre "directos" : il n'y aura pas d'enroulement et un cyclone ne s'y formera jamais (pas de cyclone entre 5 ° sud et 5 ° nord).

Pour clore cette section sur les cyclones vous pouvez voir ci-contre une animation montrant que sur les autres planètes, les vents agissent de la même manière que sur Terre : d'où la magnifique tâche de Jupiter en rotation constante.

Le saviez-vous (1) ? : La rotation de la terre crée une force de Coriolis pour notre plus grand bénéfice. En effet, la déviation des courants d'air permet une meilleure distribution des masses d'air chaud et d'air froid. Si la terre ne tournait pas et donc si Coriolis n'existe pas, les masses d'air froides partiraient vers le sud directement, s'éleveraient en chauffant et il ne pleuvrait quasi-uniquement qu'à l'équateur.

Le saviez-vous (2) ? : Le sens de la rotation de la tâche de Jupiter est aussi dépendant de l'effet Coriolis

Le saviez-vous (3) ? : Tous les fluides en écoulement sont influencés par l'effet Coriolis. On aurait constaté que certaines berges de gauche ou de droite (selon l'hémisphère considéré) des lits de fleuves & rivières sont plus "usées" que l'autre en face, sur l'autre rive. Ainsi, on a cité dans l'article sur la force centrifuge les miroirs à bain de mercure. Et bien, il faudra les pencher afin qu'ils ne se déforment (astigmatisme) pas en raison de l'effet Coriolis dû à la rotation de la Terre.

Vous voulez en savoir davantage ? : allez à la » » » » page suivante