traînée

En 1934, Jean Leray a prouvé que les équations de Navier–Stokes ont toujours des solutions « au sens généralisé ». Si la solution reste lisse ou peut se briser en une singularité, il ne l'a pas su, et personne ne l'a su pendant quatre-vingt-dix ans. En 2000, l'Institut Clay a fait de la question l'un de ses sept problèmes du Millénaire.

Une bulle d'hydrogène sur une électrode de platine se comporte comme un nageur qui tente de remonter à la surface, mais à chaque fois qu'il est sur le point de se détacher, quelque chose l'attrape par les chevilles.

Une foule à l'entrée d'un couloir étroit ne se comporte pas comme dans une salle spacieuse : certains sont plaqués contre les murs, d'autres sont poussés vers l'avant. C'est à peu près ce qui se produit lorsqu'une particule allongée se retrouve dans un liquide grouillant d'haltères auto-propulsés.

Une goutte de pluie glisse sur le vent et frappe l'océan non pas à la verticale, mais en biais. À cet instant, son énergie se scinde en deux canaux : l'un pousse l'eau vers l'avant dans le sens du vol, l'autre l'enfonce vers le bas, en profondeur.

Une goutte de pluie tombe sur une vitre et s'étale en une galette. Ajoutez un peu de polymère à l'eau : elle devient élastique, comme un gel. On pourrait penser qu'un tel gel s'étalerait différemment.

Deux morceaux de papier de verre pressés l'un contre l'autre. Dès qu'on les fait glisser, ils s'accrochent d'abord par leurs aspérités, puis glissent brusquement. C'est à peu près ainsi que se comporte une faille terrestre lors d'un séisme. Mais il y a un détail important : de combien faut-il déplacer les bords pour que l'adhérence cède ? Cette distance est appelée glissement critique.

Les gouttes d'eau sortent de la buse l'une après l'autre, comme des cyclistes sur une piste étroite. Celles qui vont plus vite rattrapent les plus lentes et fusionnent avec elles pour former des gouttes plus grosses.

Le sol n'est pas une éponge homogène, mais un labyrinthe de pores de différentes tailles. Après une pluie, l'eau ne les remplit pas tous d'un coup : d'abord les plus étroits, puis les plus larges. Les physiciens ont construit une théorie de ce processus en s'appuyant sur une image simple : un ensemble de vases communicants.

Dans l'image habituelle de Heisenberg, les spins, à basse température, doivent s'aligner en un motif strict. Mais certains cristaux — comme le pyrochlore — où la géométrie rend son verdict.

La matière quantique nous offre rarement le spectacle de l'autopropulsion. Là où le monde classique fourmille d'étourneaux en vol, de bancs de poissons et de bactéries affairées, la thermodynamique quantique est longtemps restée immobile.

Les rayons cosmiques ne voyagent pas en ligne droite. Les particules chargées, accélérées à des vitesses énormes, serpentent dans le champ magnétique de la Galaxie comme des poussières dans le vent. On considère généralement qu'elles se dispersent simplement le long et à travers les lignes de force.

Le moteur de distorsion repose sur l'idée d'Einstein selon laquelle les corps massifs courbent le courbure de l'espace-temps — cette scène même où se déroulent tous les événements cosmiques. Imaginez une bulle d'espace-temps courbé.

Un liquide chaud s'écoule facilement : les molécules s'agitent, se heurtent et trouvent rapidement une nouvelle place. Mais dès qu'on le refroidit, tout change. Le mouvement se fige presque, et la viscosité s'envole. La question centrale n'est pas que les particules soient paresseuses, mais de savoir où elles peuvent bien aller. Les auteurs de l'étude combinent deux idées connues.

Une goutte de shampoing épais tombe dans l'eau et se fige en un cordon bizarre. Un fluide qui à la fois s'écoule et rebondit est dit viscoélastique. Dans un tel fluide, de minuscules particules soumises aux ultrasons se comportent très différemment de ce qu'elles feraient dans l'eau.

Le sucre s'est dissous dans le thé, puis, d'un seul geste, il se rassemble dans la cuillère. Dans une cuisine ordinaire, on ne voit jamais cela – la viscosité et le désordre l'empêchent. Mais dans le monde des mouvements ultra-lents, où l'inertie disparaît, de tels tours deviennent réalité.

À l'intérieur de chaque neurone se trouve un canal long et fin — l'axone — par lequel le signal va du corps cellulaire aux autres cellules. Pour que ce canal fonctionne, des mitochondries — ces minuscules organites qui produisent l'énergie — y circulent en permanence. Elles se déplacent dans les deux sens, comme des voitures sur une route étroite.

Un navire qui glisse sur l'eau frotte constamment contre elle, comme une paume contre une surface rugueuse. Ce frottement consomme du carburant et ralentit la progression. L'un des moyens de le réduire est d'injecter de l'air sous la coque : l'eau cesse d'adhérer à la coque et la résistance diminue.

Une goutte d'eau posée sur une table reste généralement immobile. Mais si l'on rend la table légèrement plus molle d'un côté et plus rigide de l'autre, la goutte se met à ramper vers la zone rigide. Ce phénomène s'appelle la durotaxie : le liquide choisit lui-même où couler, sans pompes ni électricité.

Une minuscule goutte d'huile se faufile dans un canal aqueux plus étroit qu'elle. Dans l'eau pure, elle rampe tranquillement, telle une petite sphère. Mais ajoutez un peu de savon à l'eau, et la goutte se met à onduler, comme une chenille.

Le vide peut engendrer des particules si on lui applique un champ suffisamment intense. Les physiciens appellent cela le paradoxe de Dirac–Klein. Auparavant, cela nécessitait des calculs très complexes de théorie quantique des champs. Mais on peut s'en sortir avec une image parlante : un élastique fortement tendu avec un nœud. Le nœud représente une particule.

Lorsqu'on étire un morceau de métal, il change de forme et, en même temps, devient plus résistant. Le secret réside dans de minuscules défauts du réseau cristallin, appelés dislocations. C'est comme les plis d'un tapis : si l'on déplace un pli, le tapis se déplace plus facilement que si l'on tirait le tapis entier.

À l'intérieur de la Terre se trouve un noyau de fer solide de la taille de la Lune. Il flotte dans du métal liquide et oscille légèrement, comme un noyau de pêche dans le fruit si on le secoue. Ces oscillations sont appelées modes de Slichter : le noyau se déplace tantôt le long de l'axe de la planète, tantôt transversalement.

Dans les reins, le foie et d'autres organes, le liquide circule dans des canaux qui se compriment et se relâchent, comme un tuyau sous le pied. Les parois de ces canaux ne sont pas rigides : elles sont poreuses, élastiques et imbibées d'humidité.

Le télescope James Webb scrute de plus en plus souvent les exoplanètes — ces mondes qui orbitent autour d'étoiles lointaines. Certaines sont des boules de roche brûlantes, toujours tournées vers leur étoile d'un même côté. Là-bas, la roche fond et forme des océans de lave liquide. Comment cette lave se déplace-t-elle ?

Une feuille plate avec des fentes dans un courant d'eau ou d'air se comporte comme des persiennes auto-ajustables. La pression ouvre les fentes, et chaque bande de matériau s'incline, devenant une mini-aile. Ainsi, même une feuille placée perpendiculairement au flux génère non seulement de la traînée, mais aussi une portance latérale significative.

Une goutte d'huile dans l'eau, recouverte de molécules de savon, ne se comporte pas comme une goutte nue. Les molécules de savon sont de petites tiges : une extrémité aime l'eau, l'autre l'huile. Dans un fluide au repos, elles se tiennent à la surface comme une palissade et réduisent la tension de surface — cette force qui rassemble la goutte en une sphère.

Une goutte de pluie qui tombe sur le sol frappe avec une certaine force. Mais que se passe-t-il si la goutte n'est pas ronde, mais allongée comme un cigare, ou aplatie comme une crêpe ? Il s'avère que la forme de la goutte est déterminante : la force de l'impact peut varier de plus de dix fois simplement à cause de l'apparence de la goutte au moment de la chute.

Dans la plupart des matériaux magnétiques, la paroi de domaine — la frontière entre des régions de magnétisation différente — se déplace sous l'effet d'un courant dans une direction donnée par le sens du courant. Mais dans les ferrimagnétiques, près d'un point particulier où les moments angulaires des deux sous-réseaux se compensent, le comportement change.

Le soleil déclenche le cycle de l'eau, et la pluie la ramène sur terre. Mais désormais, chaque goutte est un minuscule marteau qui frappe la surface. Les particules de plastique flottantes (microplastiques, principalement du carbone) rebondissent sous l'impact, comme des grains de maïs dans une poêle.

Une pièce qui tourne sur une table est un spectacle familier. D'abord, elle tourne rapidement, puis elle penche, et son cliquetis devient de plus en plus rapide. Dans les dernières secondes, elle semble suspendue : la rotation ralentit, mais la pièce ne veut pas se coucher complètement. Ce moment final est une véritable énigme pour les physiciens.

À l'intérieur d'un aimant, il existe des régions où tous les petits aimants atomiques pointent dans la même direction. Entre ces régions se trouve une zone de transition étroite où la direction de l'aimantation tourne progressivement. Cette zone est appelée paroi de domaine.

Une particule erre dans un milieu où des obstacles sont disposés. Parfois, elle les pousse devant elle, comme un chasse-neige, et on pensait que c'était cette poussée qui finissait par arrêter le mouvement. Mais en trois dimensions, ce mécanisme ne fonctionne pas.

Le verre est un matériau qui a du caractère. Il semble fragile, mais de puissantes forces invisibles peuvent s'y loger. Dans le verre chimiquement renforcé, la surface est comprimée, comme un élastique tendu, tandis que la profondeur est au contraire étirée. Lorsqu'un objet rapide percute ce verre, cet élastique se déchire en de nombreux endroits à la fois.

Un faucon plane au-dessus d'un champ, et ses ailes dessinent une danse complexe. Chaque battement, chaque inclinaison n'est pas un hasard, mais une combinaison de mouvements simples que l'on peut décomposer en éléments. Le comportement de l'oiseau dans les airs semble intuitif, mais derrière se cache une mécanique rigoureuse.

Une casserole d'eau chauffée par le bas est un exemple simple de turbulence. Le liquide chaud monte, le froid descend, et l'écoulement se divise spontanément en cellules de convection qui ressemblent à des rouleaux horizontaux.

Lorsque deux plaques de la croûte terrestre frottent l'une contre l'autre, une couche de roche broyée s'interpose entre elles – comme du sable entre les paumes. Cette couche, que les géologues appellent gouge de faille, ne se comporte pas comme une roche solide, mais plutôt comme une pâte épaisse : elle peut se compacter, se dilater et glisser.

Dans un bocal de liquide huileux flottent des millions de minuscules grains magnétiques — chacun de la taille d'une bactérie. On allume un aimant, et les grains, tels des petits soldats disciplinés, s'alignent en longs filaments. Mais pourquoi forment-ils des filaments plutôt que des amas ? Il s'avère que le magnétisme n'est pas seul en cause.

Une goutte tombe dans un verre, et de la surface se détache un minuscule jet — un fin jet d'eau qui s'élève un instant. C'est à peu près ce qui se passe avec une bulle collée à la paroi d'un tube lorsque l'on tire brusquement le tube vers le bas. L'eau autour de la bulle se précipite vers l'intérieur, et un jet jaillit de son sommet.

À l'intérieur de chaque muscle, il y a une équipe de rameurs : les protéines de myosine qui s'accrochent aux filaments d'actine, font un coup de rame, puis relâchent. Le carburant de ce coup de rame est la molécule d'ATP. Lorsque les rameurs travaillent en harmonie, le muscle se contracte et le corps bouge.

Une goutte d'eau court sur une feuille de taro comme sur un sol ciré. Elle ne glisse pas seulement : elle accumule de l'électricité. Il y a trente ans, les scientifiques ont expliqué pourquoi les feuilles de lotus ne se mouillent pas : leur surface est couverte de minuscules bosses entre lesquelles l'air reste piégé.