Tournez glaçons !

Depuis quelques jours, la petite ville de Vestaburg, située dans le Michigan aux Etats-Unis, est devenue le centre d’attention de nombreux blogs et chaines d’informations météorologiques. En cause, un phénomène particulièrement spectaculaire : un disque de glace parfait qui tournoie sur lui-même en plein milieu d’une rivière gelée. Cela semble presque magique mais ce phénomène trouve pourtant des explications bien scientifiques. Stéphane Dorbolo, chercheur FNRS au GRASP de l’Université de Liège, premier auteur d’un article scientifique publié il y a quelques mois dans la très sérieuse revue Physics Review E, nous explique en partie le phénomène.

Quel est le point commun entre l’été et l’hiver ?  Les glaçons ! En été, ils baignent dans un verre et en hiver, ils se retrouvent flottant à la surface d’une étendue d’eau ou d’une rivière. Jusque là rien de bien étonnant. Des observateurs de la nature ont pourtant rapporté récemment des petites vidéos et des photos plutôt intrigantes de glaçons circulaires – pouvant atteindre un diamètre de 100 m et épais d’un demi-mètre – en rotation spontanée et constante (environ un tour complet en 5-10 minutes) à la surface d’une étendue d’eau. L’origine de ce type de structure fait toujours débat. S’agit-il d’un bloc de forme quelconque qui, se retrouvant dans un fluide tourbillonnant sous l’effet de l’érosion, se transforme en disque? Ou s’agit-il d’une accumulation de petits blocs qui finissent par former un disque? Cette question reste encore en suspend.

Si l’on peut par contre aisément expliquer la rotation spontanée d’un tel disque soumis au courant d’une rivière, il est plus difficile de démontrer comment un disque de glace flottant à la surface d’un liquide stable. pourrait présenter les mêmes effets. C’est ce que Stéphane Dorbolo, chercheur au GRASP (Group of Research and Applications in Statistical Physics), qui dépend de l’Unité de Recherche CESAM de l’Université de Liège et ses collègues, ont réussi à démontrer dans un article publié il y a quelques mois dans la très sérieuse revue scientifique Physics Review E(1).

Et pourtant il tourne…

Pourquoi donc un disque de glace – un glaçon dans un verre – déposé dans un bain d’eau tiède se met spontanément en rotation et ce, en l’absence d’un mouvement d’eau préalable ? C’est ce mouvement particulier qui a été étudié au GRASP. En quantifiant la relation qui lie la vitesse de rotation et la température du bain, puis en inspectant les mouvements du liquide en dessous du glaçon par des techniques de suivi de particules, les chercheurs sont parvenus à mettre au jour le mécanisme de mise en rotation.

Ce qu’il faut savoir avant tout sur les différentes propriétés de l’eau est que la glace fond à 0°C et que la densité de l’eau est la plus grande lorsque l’eau est à 4°C. Nous plaçons donc un glaçon dans un verre d’eau tiède. Le glaçon commence à fondre. La température de l’eau proche du glaçon est de 0°C. Fatalement, à cause des échanges thermiques, l’eau passe localement par une température de 4°C. Cet « élément d'eau à 4°C » coule vers fond du récipient; c’est le principe énoncé par la loi d'Archimède(2).Ce mouvement vertical et local va alors générer un tourbillon. Pourquoi? La mise en mouvement tourbillonnaire du liquide est similaire à ce qui se passe lorsque l’eau s’engouffre dans le siphon de votre baignoire : le mouvement vertical de l’eau vers la sortie est accompagné généralement d’un tourbillon. Dans le cas qui nous occupe, le tourbillon thermique va entraîner la rotation du glaçon. Plus le bain est chaud, plus le courant thermique vertical est intense, plus le tourbillon tournera vite et ainsi en sera-t-il pour le disque de glace. La physique, dans ce cas, semble donc bel et bien avoir une explication et une réponse bien rationnelle sur un phénomène qui parait pourtant bien étrange. CQFD.

(1) S. Dorbolo, N. Adami, C. Dubois, H. Caps, N. Vandewalle, and B. Darbois-Texier, Rotation of melting ice disks due to melt fluid flow, in Physical Review. E : Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics 93, 033112 (2016)

(2)Loi d'Archimède : Tout corps plongé dans un fluide subit de la part de celui-ci une poussée verticale dirigée de bas en haut égale au poids du volume du fluide déplacé. 

Print version Page updated on 2017-01-27