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Une nouvelle étude de Concordia contribue à élucider les mouvements des vagues solitaires de type tsunami

Le chercheur Georgios Vatistas et son équipe observent des groupes de vagues se déplaçant en synchronie
3 avril 2019
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Par S. Ross
Fait inattendu, les recherches du Pr Vatistas indiquent que des groupes de vagues solitaires se déplacent en harmonie. | Photo par Jeremy Bishop, Unsplash
Fait inattendu, les recherches du Pr Vatistas indiquent que des groupes de vagues solitaires se déplacent en harmonie. | Photo par Jeremy Bishop, Unsplash

Un certain phénomène déconcerte les scientifiques depuis près de deux siècles : des vagues solitaires, étrangement rapides et imposantes, qui se déplacent indépendamment du flux et du reflux qui les entourent.

Plus récemment, comprendre ces vagues s’est avéré urgent lorsque d’énormes spécimens – des tsunamis monstres – ont tué plus de 250 000 personnes en Asie du Sud en 2004 et quelque 20 000 personnes au Japon en 2011.

Georgios Vatistas, professeur de génie mécanique à l’École de génie et d’informatique Gina-Cody de l’Université Concordia, a consacré des décennies à tenter de comprendre ces vagues solitaires et de prédire leurs mouvements. Ses dernières conclusions, publiées ce mois-ci dans la revue Physical Review E, ont fait progresser le domaine en montrant comment les vagues se comportent lorsqu’elles se produisent en série.

Les recherches du Pr Vatistas donnent à penser qu’il y a beaucoup à apprendre de ces groupes de vagues solitaires, qui s’organisent de manières intrigantes et – fait inattendu – se déplacent en harmonie.

En laboratoire, l’équipe du chercheur a constaté que les vagues se formaient spontanément, mais simultanément. Elles se positionnaient rapidement de façon symétrique, uniformément espacées, et voyageaient à la même vitesse.

L’observation des vagues évoque une danse, selon le Pr Vatistas.

« Nous savons comment les groupes de vagues se comportent, mais comment pouvons-nous, en tant qu’ingénieurs, utiliser ce savoir pour améliorer la vie humaine? »

Georgios Vatistas, professeur de génie mécanique. Georgios Vatistas, professeur de génie mécanique.

Des exemples dans la nature

Les vagues de type tsunami se produisent bien au-delà des océans et des cours d’eau. Le phénomène survient en effet dans la nature et la technologie : dans les circuits électriques, les ondes acoustiques, l’atmosphère des pôles Nord et Sud, les fluides plasmatiques, les fibres optiques, les mouvements de l’ADN et même la théorie quantique.

Plus Georgios Vatistas explore ces mouvements uniques, plus ceux-ci le fascinent.

« Lorsque deux vagues solitaires voyagent l’une vers l’autre, par exemple, elles peuvent se traverser l’une l’autre en demeurant pratiquement inchangées », explique le chercheur. Des simulations ont ainsi montré que des vagues peuvent entrer en collision, puis poursuivre leur chemin.

Fait encore plus impressionnant, les tsunamis océaniques peuvent se déplacer de manière extrêmement rapide – plus vite qu’un Boeing 747.

Lorsqu’on crée des vagues en laboratoire, des schémas encore plus curieux se produisent.


Le Pr Vatistas utilise un réservoir cylindrique en Plexiglas doté d’un orifice obstrué par un bouchon. Le réservoir peut être rempli d’eau puis dirigé, les mouvements de l’eau étant captés par une caméra.

Dans le passé, le chercheur a montré qu’une vague créait des formes dans l’espace vide situé en son milieu qui résulte de la force centrifuge. Entouré de murs d’eau, un triangle apparaît d’abord, puis un carré, un pentagone et un hexagone.

Le Pr Vatistas a créé une vague solitaire rotative pour la première fois en 1990. Une vague est en effet plus facile à étudier lorsqu’elle décrit un cercle ou une rotation au lieu de voyager dans une direction linéaire, car on évite ainsi de devoir suivre sa progression.

L’équipe de recherche de Georgios Vatistas comprend Hamid Ait Abderrahmane, de l’Université Khalifa d’Abu Dhabi, Hoi Dick Ng, professeur de génie à Concordia, et Pooya Soltanian Sedeh, étudiant aux cycles supérieurs. Dans le cadre de ses travaux, elle a créé un groupe ou une série de vagues, soit jusqu’à 13 dans la même orbite.

À la suite de cette « danse » étonnamment coordonnée, les chercheurs ont vu les vagues se rassembler au même endroit, puis mourir simultanément – un moment qu’ils essaient aujourd’hui de définir plus précisément.

Une ressource à exploiter

Outre les tentatives de prédire les tsunamis avec plus d’exactitude – un champ d’activité en croissance ces dernières années, surtout au Japon depuis 2011 –, Georgios Vatistas a constaté que des chercheurs d’autres domaines ont transposé et enrichi ses découvertes.

Son récent article devrait selon lui présenter un intérêt particulier pour les mathématiciens. Le rythme des vagues observé était en effet imprévu, ce qui conduit à penser qu’elles ne peuvent être entièrement modélisées par la formule existante visant à prédire leurs mouvements, soit le modèle Korteweg-de Vries. De nouveaux calculs mathématiques s’imposent donc.

« Il nous faut comprendre cette ressource avant de pouvoir l’exploiter », conclut le scientifique.


Consultez l’article cité : « 
Rotating polygonal depression soliton clusters on the inner surface of a liquid ring ».
 

 

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