Le phénomène des eaux mortes

Épreuves nationales des Olympiades de Physique
29 et 30 janvier 2016
à l'Université Paris VII
Le phénomène des eaux mortes
Louis Delorme 1S2
Thomas Harmand 1S2
Titwan Hervé 1 STi2D
Lycée Rosa Parks
Neuville/ Saône
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Table des matières
1 . Résumé............................................................................................................................................3
2 . Remerciements................................................................................................................................4
3 . Introduction.......................................................................................................................................4
4 . Recherche d'une technique d'obtention de deux couches de salinités différentes ..........................5
5 . Construction et remplissage de la grande cuve...............................................................................6
6 . Réalisation des solutions salines......................................................................................................8
7 . Vérification de la différence de salinité des deux couches...............................................................8
8 . Relation entre salinité, conductivité et masse volumique.................................................................9
9 . Stabilité du système des deux couches.........................................................................................10
10 . Construction du système de traction du bateau...........................................................................10
11 . Choix du bateau............................................................................................................................15
12 . Le lancement du bateau : utilisation d'un électroaimant...............................................................16
13 . Prise de vue.................................................................................................................................16
14 . Précisions sur les mesures de position........................................................................................17
15 . L'exploitation des vidéos..............................................................................................................17
16 . Quelques résultats obtenus..........................................................................................................18
17 . Expériences utilisant deux couches d'eau de températures différentes.......................................23
18 . Conclusion....................................................................................................................................24
19 . Annexes........................................................................................................................................25
20 . Bibliographie.................................................................................................................................30
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1 . Résumé
Notre projet consiste en l'étude de l'onde interne qui prend naissance à l'interface entre une eau douce et une
eau salée sous l'action d'un bateau. Cette expérience reproduit celle du laboratoire de Physique de l'ENS
LYON. L'onde prélève son énergie à celle du bateau et elle présente une forte amplitude alors que la surface
de l'eau reste étonnamment calme. Le bateau est retenu et semble soumis à une force de traînée très
importante qui est périodique.
Nous avons construit une cuve de 2 m de long qui présente une paroi transparente et permettant de réaliser
les deux couches dont l'une est colorée. Le bateau est tiré par un dispositif de traction à force constante. Nous
filmons l'expérience et analysons le film avec le logiciel ImageJ. Nous étudions le mouvement du navire pour
différents systèmes d'eau stratifiée. Nous comparons ensuite les valeurs de la célérité de l'onde d'interface
observée avec celles que donne la théorie. En conclusion, une onde prend naissance au niveau de l'interface
d'amplitude si importante que le mouvement d'un navire peut être fortement perturbé si sa vitesse limite est
inférieure à la vitesse de l'onde d'interface.
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2 . Remerciements
Nous remercions M Jouve, professeur de physique au lycée Rosa Parks, qui nous a guidé dans notre
démarche, M Dauxois directeur de recherche CNRS à l'ENS Lyon qui nous a donné des éléments clefs pour
la bonne réalisation des expériences et madame Dugourgeot, proviseur de lycée Rosa Parks qui nous prête
une salle dans laquelle nous pouvons réaliser notre projet sans être dérangés.
3 . Introduction
3.1 Origines du projet.
En février 2015,lorsque nous étions en seconde, nous avons contacté M Jouve pour participer aux activités de
l'atelier scientifique. A l'époque nous voulions étudier l'effet Venturi et son implication sur le fonctionnement
des hydroptères, catamarans « volants » en réalisant une maquette de ce navire, mais les dimensions d'une
telle maquette nous apparue pas très adaptée au laboratoire de physique du lycée et nous dûment changer
de sujet.
M Jouve nous proposa alors l'étude des eaux mortes . Nous avons vu la vidéo l'expérience du laboratoire de
M Dauxois de l'ENS Lyon disponible sur internet et nous avons tout de suite accepté.
3.2 En quoi consistent les eaux mortes ?
La description historique se trouve dans la thèse de M Mercier p 155 :
« En 1893, l'explorateur Norvégien Fridtjöf Nansen à bord de son bateau Le Fram fut le témoin d'un
étrange phénomène. Alors qu'il naviguait à proximité de l'archipel Nordenskiöld au nord de la Sibérie,
Nansen raconte que Le Fram semblait être comme freiné par une force mystérieuse, comme si le
moteur ne répondait pas correctement ? Nous avons fait des détours le long de notre route, voire
des boucles complètes, essayé toute sorte de ruses pour nous échapper, en vain.
Nansen appela ce phénomène dead-water (en anglais) ce qui signifie eaux mortes.
Parmi les observations de l'époque, les points remarquables sont notamment la présence d'une eau
particulièrement douce (c'est-à-dire peu salée) en surface de l'océan, le fait que le bateau ait ralenti
jusqu'au quart de sa vitesse normale et également que le bateau se soit arrêté voire ait oscillé
d'avant en arrière lorsque que les moteurs ont été coupés brutalement . »...
« Des travaux de recherche réalisés par V.W. Ekman en 1904 ont permis de comprendre que ce phénomène
a lieu quand la partie supérieure de l'océan est constituée de couches dont les densités sont très différentes,
en particulier à cause de fortes différences de concentrations en sel (par exemple, de l'eau douce issue d'un
glacier au dessus de l'eau salée de l'océan). Au passage du bateau, des vagues se forment sous la surface, à
l'interface entre les couches de densités différentes. Ces vagues vont interagir avec le bateau en le freinant
sans qu'aucune activité ne se manifeste à la surface : c'est le phénomène d'eaux mortes. »
Le nom « d' eaux mortes » provient, selon le site http://salishsea.typepad.com/blog/2005/07/dead_water.html ,
d'une légende qui expliquait que le phénomène était dû à une main du cadavre d'un marin noyé qui s'agrippait
au bateau et le retenait.
3.3 Quelques éléments de théorie
Globalement ce phénomène fait partie du domaine des ondes internes que l'on rencontre aussi bien dans
l'atmosphère que dans les océans. Ce sont des ondes internes de gravité ; c'est la pesanteur qui est la force
de rappel nécessaire à la propagation de l'onde.
Le modèle mathématique décrivant ce phénomène est beaucoup trop complexe pour des élèves de début de
première S. Nous nous sommes cantonnés à une étude qualitative
Nous avons compris que la présence de deux couches d'eau de densités différentes séparées par une
interface assez fine permet la propagation d'une onde d'amplitude importante sur cette interface. L'énergie
que transporte cette onde est prélevée à l'énergie cinétique du bateau qui, ainsi, ralentit. En ralentissant il
fournit donc moins d'énergie et l'onde s'estompe et s'éloigne du bateau . L'onde s'estompant elle prélève
moins d'énergie et ainsi le bateau, soumis toujours à la même action de ses moteurs, accélère de nouveau ce
qui alors augmente l'amplitude de l'onde qui rejoint le bateau et le freine de nouveau, ainsi un phénomène
oscillatoire prend naissance.
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4 . Recherche d'une technique d'obtention de deux couches de
salinités différentes
4.1 Les différents essais
4.1.1 Première technique
La première étape de notre projet a été d'obtenir un récipient contenant deux couches de concentration en
chlorure de sodium différentes séparées par une interface la plus fine que possible..
La salinité de l'eau salée était chaque fois de 30 g.L
-1
.
Nous avons utilisé un petit aquarium.
Une bouteille d'eau minérale de 5 L, retournée, est
munie d'un bouchon percé de 2 trous.
Le premier trou laisse passer un tube creux de verre
dont l'une des extrémité est à l'extérieur de la
bouteille ; et l'autre extrémité est située presque au
niveau du fond de la bouteille. La pression de l'air
situé au dessus du liquide est donc toujours égale à
la pression atmosphérique.
Le second trou laisse passer un tuyau qui part de la
base du bouchon et va dans le fond de l'aquarium
dans lequel on a déjà versé une couche d'eau douce
de 10 cm. Le but est de faire « pousser » l'eau douce
vers le haut par l'eau salée.
On plaçait la bouteille ainsi remplie d'eau salée
colorée à une dizaine de centimètres du sommet de
l'aquarium, le tuyau étant bouché par une pince de
Mohr.
On pouvait réguler le débit en fermant plus ou moins la pince de Mohr.
On obtenait difficilement deux couches distinctes car on avait du mal à obtenir un débit très faible pour éviter
les tourbillons qui provoquent le mélange des deux eaux.
4.1.2 Deuxième technique
Dans un deuxième temps, nous avons pensé à placer une plaque de matière plastique à 1 cm du fond de
l'aquarium ayant des dimensions légèrement inférieures à celles de l'aquarium afin d'aménager des orifices
permettant à l'eau salée de passer, en poussant l'eau douce vers le haut. Le tuyau de remplissage est fixé en
dessous de la plaque.
On observait des volutes qui trahissait des tourbillons au niveau des ouvertures mais en réglant le débit de
remplissage on pouvait les limiter et les résultats ainsi obtenus furent encourageants.
On observait les deux couches distinctement après le remplissage.
Mais le maintient de la bouteille au dessus de l'aquarium posait problème, le bouchon se détachait parfois …
La capacité réduite de la bouteille et la lenteur du remplissage ne seraient pas compatibles avec l'obtention
des deux couches dans la grande cuve que nous envisagions de construire.
On remarqua que le système des deux couches une fois réalisé pouvait rester ainsi plusieurs jours, mais la
couleur bleue diffusait dans l'eau douce et au bout de 4 ou 5 jours l'interface n'était plus très nette.
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eau salée colorée avec du bleu
patenté
bouteille d'eau
minérale de 5 L
petit
aquarium
eau
douce
feuille anglaise ou tube PVC
crista l
eau douce
feuille anglaise
ou tube PVC
cristal
cale
plaque
eau salée
petit
aquarium
double
fond