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Oscillateur à eau salée


Frédéric Elie, juillet 2011


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Cet article présente une expérience étonnante mais difficile à réaliser: deux liquides de densités différentes, l'un au-dessus constituée d'eau salée, plus dense, l'autre en-dessous constituée d'eau douce, moins dense, séparés par une paroi où un trou d'épingle a été aménagé, deviennent le siège d'une oscillation curieuse. Après un certain temps, durant lequel le liquide le plus lourd s'écoule dans le liquide le plus léger, le courant s'inverse: c'est le liquide le moins dense, situé en bas, qui s'écoule par un mince filet oscillant, dans le liquide supérieur. Et le cycle recommence, avec la régularité d'un métronome. On a obtenu un oscillateur hydraulique, ici, avec de l'eau salée en contact avec de l'eau douce par l'intermédieire d'une ouverture, d'un passage, pas plus large qu'un trou d'épingle!

Les considérations théoriques sur l'équilibre mutuel de deux liquides de densités différentes mis en contact, amènent à identifier le rôle de la tension superficielle, les forces capillaires, dans les conditions de cet équilibre, ce que l'on appelle les conditions de stabilité de Kelvin-Helmholtz. La taille de l'ouverture du passage revêt donc une importance capitale.

Ces mêmes considérations conduisent aussi à l'idée que l'équilibre est rompu, et devient une instabilité oscillatoire, dès lors que les forces de gravité l'emportent sur les forces capillaires (par exemple à cause d'une différence d'altitude des surfaces libres des deux fluides) et lorsque les densités finissent par devenir très voisines à la suite de l'écoulement d'un fluide dans l'autre.

On comprend alors en quoi réside la difficulté de l'expérience: d'une part la maîtrise de la taille du passage mettant en communication les deux liquides, d'autre part, le temps nécessaire pour obtenir des densités voisines au terme de la première phase où le liquide le plus lours (l'eau salée) s'écoule suffisamment dans le liquide le plus léger (l'eau douce), sachant que, au départ, il faut choisir des concentrations très différentes pour amorcer l'écoulement descendant...