Alors que l'ordre est souvent dévolu au chaos, parfois l'inverse est vrai. Le fluide turbulent, par exemple, a tendance à former spontanément un motif bien rangé: des bandes parallèles.
Bien que les physiciens aient observé ce phénomène expérimentalement, ils peuvent maintenant expliquer pourquoi cela se produit en utilisant des équations fondamentales de dynamique des fluides, ce qui les rapproche de comprendre pourquoi les particules se comportent de cette façon.
En laboratoire, lorsqu'un fluide est placé entre deux plaques parallèles qui se déplacent dans des directions opposées, son écoulement devient turbulent. Mais après un petit moment, la turbulence commence à s'estomper dans un motif rayé. Il en résulte une toile de lignes lisses et turbulentes qui courent à un angle par rapport à l'écoulement (imaginez de légères vagues créées par le vent dans une rivière).
"Vous obtenez une structure et un ordre clairs du mouvement chaotique de la turbulence", a déclaré l'auteur principal Tobias Schneider, professeur adjoint à l'école d'ingénieur de l'EPF de Lausanne. Ce "comportement bizarre et très obscur" a "fasciné les scientifiques pendant très, très longtemps".
Le physicien Richard Feynman a prédit que l'explication doit être cachée dans les équations fondamentales de la dynamique des fluides, appelées équations de Navier-Stokes.
Mais ces équations sont très difficiles à résoudre et à analyser, a déclaré Schneider à Live Science. (Montrer que les équations de Navier-Stokes ont même une solution fluide à chaque point pour un fluide 3D est l'un des problèmes de 1 million de dollars du prix du Millénaire.) Donc jusqu'à ce point, personne ne savait comment les équations prédisaient ces comportements de formation de motifs. Schneider et son équipe ont utilisé une combinaison de méthodes, y compris des simulations informatiques et des calculs théoriques pour trouver un ensemble de «solutions très spéciales» à ces équations qui décrivent mathématiquement chaque étape de la transition du chaos à l'ordre.
En d'autres termes, ils ont décomposé le comportement chaotique en ses blocs de construction non chaotiques et ont trouvé des solutions pour chaque petit morceau. "Le comportement que nous observons n'est pas une physique mystérieuse", a déclaré Schneider. "Il est en quelque sorte caché dans des équations standard qui décrivent l'écoulement des fluides."
Ce modèle est important à comprendre car il montre comment le turbulent et le calme, autrement connu sous le nom de «flux laminaire», rivalisent pour déterminer son état final, selon un communiqué. Lorsque ce schéma se produit, les écoulements turbulents et laminaires sont de force égale - sans qu'aucun camp ne remporte le bras de fer.
Mais ce modèle n'est pas vraiment vu dans les systèmes naturels, tels que la turbulence dans l'air. Schneider note qu'un modèle comme celui-ci serait en fait "assez mauvais" pour l'avion car il devrait voler à travers un échafaudage de lignes turbulentes et non turbulentes.
Le but principal de cette expérience était plutôt de comprendre la physique fondamentale des fluides dans un environnement contrôlé, a-t-il déclaré. Ce n'est qu'en comprenant les mouvements très simples des fluides que nous pourrons commencer à comprendre les systèmes de turbulence plus complexes qui existent partout autour de nous, du flux d'air autour des avions à l'intérieur des pipelines, a-t-il ajouté.
Les chercheurs ont publié leurs résultats le 23 mai dans la revue Nature Communications.
