Des navires qui n’avancent plus !

Illustration Morgane Parisi - www.StudioBrou.com

Par Amélie Ringeade

Actium, 31 avant J.C., durant la guerre civile déclenchée à la mort de César, Octave et Marc-Antoine s’affrontent lors d’une bataille navale. Marc-Antoine possède les navires les plus imposants grâce à la flotte de Cléopâtre et pourtant il sort perdant de cette bataille. Une équipe de recherche pluridisciplinaire de Poitiers essaie aujourd’hui de comprendre ce qui a pu conduire à une telle issue. Cette recherche est financée par l’appel à projet interdisciplinaire 80IPrime 2019 (projet OFHYS) et par la mission pour les initiatives transverses et interdisciplinaires du CNRS. Les physiciens et mathématiciens de l’institut Pprime et du laboratoire de mathématiques et applications de l’université de Poitiers et du CNRS étudient le phénomène d’eaux-mortes qui pourrait expliquer un ralentissement important des navires de Cléopâtre. Début juillet 2020, les résultats ont été publiés dans PNAS apportant une compréhension beaucoup plus précise du phénomène.

Observé et décrit pour la première fois en 1893 par l’explorateur Fridtjof Nansen, ce phénomène peut se produire lorsque deux couches d’eau de densité différente se superposent, par exemple sur le lieu d’une rencontre d’eau douce et d’eau salée ou d’eau froide et d’eau chaude. Vagn Walfrid Ekman reproduit au début du XXe siècle cette observation en laboratoire pour l’étudier. Il montre que des vagues se forment à l’interface entre la couche d’eau salée et d’eau douce et qu’elles interagissent avec le bateau. Les deux observations produisent des effets différents, désignés chacun par le nom de leur premier observateur. Jusqu’à présent les deux effets n’étaient pas clairement distingués et rassemblés sous le terme d’eaux-mortes.

Un tapis roulant bosselé

«Le premier phénomène, l’effet Nansen, est dû au sillage du bateau, non pas à la surface de l’eau mais à l’interface entre les deux fluides de densités différentes. La vitesse maximale est alors réduite par rapport à ce qui pourrait être observé dans une eau homogène, explique Johan Foudrinoy, doctorant en mécanique des fluides. L’autre phénomène, l’onde d’Ekman, produit des oscillations de vitesse provoquant un mouvement d’avant en arrière pour le bateau. Nous avons montré que ce deuxième phénomène provient du démarrage du bateau, qui induit un vide au niveau de l’interface et déclenche une onde de dépression dispersive ondulante à l’origine des oscillations.»
Germain Rousseaux, chercheur et physicien de l’institut Pprime, aime expliquer le phénomène des eaux-mortes à l’aide d’une image : «C’est comme si vous marchiez sur un tapis roulant bosselé, le tapis impose une vitesse maximale ralentie (effet Nansen) et les bosses créent des variations de vitesse (onde d’Ekman).»

Vue du dispositif expérimental (à gauche) et exemple de calculs mathématiques (à droite). Lorsque les bassins sont trop étroits, les oscillations dynamiques des bateaux sont exacerbées. Images : Pprime (CNRS) et LMA (CNRS/Université de Poitiers)

En général, l’étude du phénomène se fait dans des aquariums étroits, cela permet d’augmenter la taille des vagues et donc de faciliter l’observation des ondes. Le problème mis en avant par les chercheurs de Poitiers est que l’onde d’Ekman est tellement amplifiée lors de ces observations qu’il était jusqu’à présent difficile de la distinguer de l’effet Nansen. L’équipe de recherche a utilisé une nouvelle méthode de visualisation des vagues qui permettait de mesurer les mouvements à une échelle très précise, en dessous de la taille du pixel. L’observation pouvait donc se faire dans un bassin plus large avec des vagues plus petites permettant de bien distinguer les deux ondes.

Un travail pluridisciplinaire

Une importante collaboration avec le laboratoire de mathématique et applications a contribué à faire des modélisations précises du phénomène. Ces modélisations moins contraintes ont permis de varier la largeur du bassin et la durée de l’observation. Cela complétait les données obtenues avec le dispositif expérimental et a permis de montrer dans un premier temps l’impact de la largeur du bassin sur le phénomène d’Ekman. Puis, en observant à long terme l’évolution des deux phénomènes, les chercheurs ont montré que les ondes d’Ekman sont temporaires. Au bout d’un certain temps, le bateau s’en échappe pour atteindre la vitesse limite déterminée par le sillage classique de Nansen.

Dans l‘Antiquité, la défaite de Marc-Antoine était expliquée par l’action des rémoras, des poissons dont la bouche sert de ventouse, qui se seraient accrochés à la coque des navires pour les ralentir. Aujourd’hui, l’hypothèse d’un phénomène d’eaux-mortes est mise en avant mais les conditions exactes ne sont pas encore tout à fait comprises. Les découvertes sur la mécanique des eaux-mortes vont tout de même servir pour améliorer la navigation dans certains ports et écluses. Ce sont des situations dans lesquelles les bateaux se retrouvent confinés, ce qui peut favoriser l’apparition de l’onde d’Ekman.

The dual nature of the dead-water phenomenology: Nansen versus Ekman wave-making drags. Johan Fourdrinoy, Julien Dambrine, Madalina Petcu, Morgan Pierre, and Germain Rousseaux. PNAS, le 6 juillet 2020.

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