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Communication scientifique

Des nageurs bien turbulents

Résultats mis en avant par l’American Physical Society

Des nageurs bien turbulents

Pourrait-il y avoir un lien entre le comportement collectif d’entités capables de se déplacer de façon autonome (bactéries, animaux, foules, etc.) et la turbulence hydrodynamique ? Des chercheurs de l’ILM, du LPENSL et du LMFA (Ronan Kervil et Florence Raynal) ont montré qu’un ensemble de particules de camphre s’auto-propulsant à la surface de l’eau développe une dynamique collective aléatoire statistiquement indiscernable de celle d’un nuage de particules dispersées par la turbulence. Ces résultats sont publiés dans la revue Physical Review X.

Les suspensions bactériennes, les nuées d’oiseaux, les bancs de poissons, etc. possèdent la propriété commune d’être constitués d’entités capables de s’auto-mouvoir individuellement tout en développant une dynamique collective riche et spontanée. Ils constituent une classe fascinante de systèmes dont les comportements collectifs souvent captivants sont bien illustrés par les images familières du monde animalier, tels que les vols synchronisés de nuées d’oiseaux. Dans certaines situations ces mouvements s’organisent en tourbillons et cisaillements, avec des structures spatiales et temporelles rappelant qualitativement la turbulence des fluides. Cette analogie, purement visuelle, a donné lieu à l’appellation « turbulence active », bien que les processus physiques en jeu soient fondamentalement différents. L’existence de liens formels forts entre systèmes actifs et turbulence reste une question ouverte et un champ de recherche florissant. Les scientifiques ont su concevoir ces dernières années des systèmes actifs abiotiques modèles, présentant des comportements collectifs saisissants rappelant ceux des systèmes vivants, y compris la turbulence active. Toutefois, aucun système actif n’avait encore été découvert possédant des propriétés quantitativement analogues à la turbulence des fluides.


Des chercheurs de l’Université de Lyon et du CNRS ont découvert qu’un système actif artificiel, connu depuis l’antiquité, constitué de multiples particules de camphre millimétriques s’auto-propulsant à la surface d’eau au repos (sous des effets de tension de surface liés à la dissolution du camphre dans l’eau), présente des mouvements aléatoires et corrélés, dont la signature statistique est quantitativement indiscernable de celle que développeraient des particules portées par un écoulement turbulent. L’origine de cette analogie est très certainement liée à l’existence d’une cascade d’énergie à travers les échelles. Dans le système expérimental de particules actives étudié dans ce travail, chaque particule développe une dynamique à petite échelle induite par sa propulsion individuelle, mais se voit affectée par des interactions à longue portée induites par le sillage chimique (camphre dissout) laissé par les autres particules. Cette analogie ouvre de nouvelles perspectives de modélisation des systèmes actifs, et pourrait également permettre des avancées sur la compréhension de la cascade d’énergie en turbulence, un problème classique de la mécanique des fluides qui recèle encore bien des mystères.

Cet article a fait l’objet de plusieurs communications, notamment dans Physics, le magazine de l’American Physical Society.