I- première approche de la force de Coriolis





télécharger 43.03 Kb.
titreI- première approche de la force de Coriolis
date de publication11.10.2019
taille43.03 Kb.
typeDocumentos

LECTURE date :

LA FORCE DE CORIOLIS


Avant de nous lancer dans le calcul et les applications de la force de Coriolis, nous allons tenter de faire comprendre intuitivement ce qu'elle représente. Il est en effet important en physique de sentir le plus simplement possible la nature profonde du phénomène étudié.

Pour cela, quelques rappels de Mécanique s'imposent ...

I- Première approche de la force de Coriolis


1. Le référentiel        

Lorsqu'on étudie un mouvement, il faut définir des positions et des vitesses. Pour cela, il faut savoir par rapport à quoi on définit ces grandeurs. Par exemple, une personne qui se promène dans le sens de la marche dans un train lancé à 150 km/h a une vitesse de 5 km/h par rapport au train, mais de 155 km/h par rapport au sol. Compte tenu du mouvement de la Terre autour du Soleil, sa vitesse sera aussi 30 km/s par rapport au Soleil, etc. Toute étude de mouvement commence donc par le choix du référentiel. Un référentiel est un solide muni d'un repère, c'est-à-dire un point origine et 3 axes permettant de repérer tout point. Pour le problème du train, un référentiel possible est le train, avec comme repère : {le wagon-bar, l'axe du train, un axe horizontal perpendiculaire au train, et la verticale}. Il faut bien insister sur le fait que le choix du référentiel ne changera pas les conclusions physiques (par exemple, si un calcul dans un premier référentiel conduit à prédire une collision entre deux corps demain matin, on obtiendra la même prévision dans tout autre référentiel.).
Changer de référentiel ne change pas la nature du problème, mais sert simplement à simplifier celui-ci d'un point de vue mathématique.
2. Référentiels galiléen et non-galiléen       

Considérons un objet ne subissant aucune force physique (c'est-à-dire liées à une interaction physique : électrique, magnétique, frottements...), par exemple un palet sur une patinoire, pour lequel les frottements sont assez faibles pour être négligés. Le bon sens nous dit que l'objet garde une vitesse et une direction constante : il a un mouvement rectiligne uniforme. Ceci constitue le principe d'inertie : si aucune force ne s'applique sur un mobile, il garde un mouvement rectiligne uniforme (ou reste immobile : mais c'est un cas particulier de mouvement rectiligne uniforme). Ceci n'a cependant rien d'évident, et n'est vrai que dans certains référentiels appelés référentiels galiléens : de nombreux référentiels ne sont pas galiléens, comme on va le voir plus loin. Cependant on admet qu'il existe des référentiels galiléens, dans lequels un point qui n'est soumis à aucune force garde un mouvement rectiligne uniforme. Dans un tel référentiel, la loi de Newton, qui relie force et accélération, s'applique : F = m a. Si un point de masse m subit de la part de son entourage des forces de somme F, son accélération sera donnée par F divisé par m. Dans le cas F = 0, on retrouve bien a = 0 soit un mouvement rectiligne uniforme. Une propriété fondamentale des référentiels galiléens est la suivante ; si un référentiel R1 est en mouvement rectiligne uniforme par rapport à un référentiel R2 galiléen, alors il est lui-même galiléen.

Comme exemple de référentiel galiléen, on peut citer par exemple le référentiel héliocentrique (le soleil au centre, et trois axes pointant vers trois étoiles fixes). En effet, une sonde lancée de la Terre vers l'extérieur du système solaire n'est pratiquement soumise à aucune force, et elle continue sa course en ligne droite à vitesse constante.

Mais l'expérience quotidienne nous apprend que de nombreux référentiels ne sont pas galiléens. Lorsqu'une voiture freine brutalement, il est bien connu que ses passagers sont poussés vers l'avant. Dans le référentiel de la voiture, aucune force "physique" ne s'applique à eux, et pourtant, ils subissent une accélération vers l'avant. Le référentiel de la voiture freinante n'est donc pas galiléen. On ne peut plus y appliquer simplement F = m a.

Faut-il pour autant abandonner cette loi ?

Non, et c'est là que réside le secret de la force de Coriolis : pour conserver une loi ressemblant à la loi de Newton, les physiciens utilisent une manipulation astucieuse qui consiste à garder la loi de Newton F = m a à condition d'ajouter aux forces physiques des "pseudo-forces" ou "forces d'inertie" qui se calculent en connaissant les caractéristiques du référentiel. On aura alors m a = Fphy + Finertie.

Dans le cas de la voiture qui freine, on montre que Finertie est proportionnelle à  la masse du passager et à l'accélération, mais en sens contraire. Donc, si la voiture freine (accélération vers l'arrière), le passager subit bien une force (d'inertie) vers l'avant (il est projeté sur le pare-brise).
3. Cas du référentiel tournant        

Dans le cas qui nous intéressera plus loin, les référentiels dont nous nous servons sont les référentiels terrestres, définis par un point de la surface de la Terre, et trois directions fixes pour un observateur placé en ce point, par exemple la verticale, l'Est et le Nord. Un tel référentiel est en rotation par rapport au  centre de la Terre. Il va donc nous falloir étudier les référentiels en rotation, cas particuliers de référentiels non-galiléens.

Comme tout le monde l'a déjà expérimenté dans une voiture prenant un virage par exemple, on subit dans un référentiel tournant une force qui pousse vers l'extérieur, communément appelée "force centrifuge" : c'est une force d'inertie, due à aucune interaction physique. Elle est l'analogue pour le référentiel tournant de la force d'inertie vue en 2). Elle explique par exemple pourquoi les planètes tournent autour du Soleil sans "tomber" dessus : pour les planètes (de même pour les satellites naturels ou artificiels qui tournent autour de la Terre), la force centrifuge compense exactement le force de gravitation.
4. La force de Coriolis

Considérons maintenant un disque horizontal tournant à la vitesse angulaire constante , et un objet (par exemple un glaçon) glissant sans frottement, lancé à l'instant  du bord du disque vers son centre à une vitesse V0 dans le référentiel du laboratoire (figure). Nous allons étudier le mouvement dans le référentiel fixe du laboratoire (galiléen), puis dans le référentiel du disque (non galiléen).

Dans le référentiel galiléen, comme il n'y a pas de frottement, le glaçon n'est soumis à aucune force, et donc sa vitesse est uniforme et le glaçon décrit une ligne droite,comme prévu par le principe d'inertie. Mais si notre mobile a laissé une trace d'eau sur le disque, celle-ci n'est clairement pas rectiligne : le point de sortie A' du glaçon n'est pas diamétralement opposé à A.



En effet, pendant le temps t que l'objet a mis pour traverser le disque, celui-ci a tourné d'un angle t. Dans le référentiel du disque, la trajectoire est donc courbe. La force centrifuge ne suffit pas à elle seule à expliquer le phénomène ; s'il avait été soumis à la force centrifuge uniquement, le glaçon aurait été éjecté du disque selon la figure ci-dessous,

ce qui n'est manifestement pas la cas vu la forme de la trajectoire. Il existe donc une autre force d'inertie : c'est la force de Coriolis, du nom d'un ingénieur français du siècle dernier. Quelles en sont les caractéristiques ?

Insistons encore sur le fait que cette "force" n'est pas une "vraie force physique", elle est juste un moyen d'exprimer que les lois de la mécanique changent lorsqu'on change de point de vue. Nous voyons d'abord qu'elle dévie le mouvement vers la gauche dans notre cas (voir figure). De plus, il est clair que la force augmente avec  (si le disque ne tourne pas, son référentiel se confond avec le référentiel fixe et la trajectoire est une ligne droite). Ensuite, elle dépend de la vitesse du mobile puisque s'il est lancé très vite, la trajectoire est quasiment une ligne droite.

Dans la partie suivante nous verrons la forme mathématique de cette force. Mais nous avons ici vu l'essentiel de la physique du problème : la force de Coriolis dévie les objets qui sont en mouvement dans le référentiel terrestre ; c'est une force assez discrète sur Terre car celle-ci a une vitesse de rotation faible devant celle de notre disque !

        Ainsi, la force de Coriolis n'est pas une force liée à une interaction physique mais juste une "astuce de calcul" liée au changement de point de vue d'observateur qui exprime, en quelque sorte, que la Terre "bouge sous un projectile" pendant son mouvement. Elle n'est certes pas une "vraie" force, mais il faut néanmoins en tenir compte dès que l'on étudie un mouvement dans un référentiel tournant ! Dans les parties qui vont suivre, nous allons établir sa forme mathématique puis en déduire les effets sur les mouvements de corps sur la Terre.

II- Expression de la force de Coriolis


Les grandeurs en gras sont des vecteurs et le signe ´ est le signe du produit vectoriel.

1. Rappel de la loi de composition des vitesses

En mécanique, la loi de composition des vitesses qu'on utilise est assez intuitive. Imaginons comme dans la première partie le passager d'un train marchant à 5 km/h dans un train roulant à  150 km/h. Une vache regardant passer le train : elle dira que le passager avance à 155 km/h.

Exprimons ceci mathématiquement. Considérons deux référentiels R et R', R' se déplaçant à la vitesse U par rapport à R, supposé fixe. Imaginons une particule se déplaçant à la vitesse V' par rapport à R'. Alors la loi de composition des vitesses donne V la vitesse de P par rapport à R :

V = U + V’

Dans le cas où R' est en rotation par rapport à R autour d'un axe z, à la vitesse angulaire = eZU = ´ r d’où V = ´ r + V’

2. Expression de la force de Coriolis

On obtient : R = R + R

Or la dérivation d'un produit vectoriel s'écrit : R = R ´ r + ´ R

et : R = R’ + ´ r

d'où on tire : R = R ´ r + ´ 

La formule donnant la composition des accélérations par changement de référentiel est donc finalement : R = R’ + ´ VR’ + R ´ r + ´ .

Il nous reste à présent à interpréter les différents termes de cette formule un peu barbare, afin de voir ce qu'elle signifie physiquement.

3. Interprétation

Quand on écrit la loi de Newton, m aR’ = F + Fe + FC, on voit apparaître 2 termes en plus de l'accélération de la particule dans le référentiel R'. On définit la force d'inertie d'entraînement Fe et la force d'inertie de Coriolis Fc.

Fe = – m ´ ( ´ r) et FC = 2 m VR’ ´

Dans le cas d'un mouvement circulaire uniforme, la force d'inertie d'entraînement s'écrit :

Fe = – m 2 ´ ur  : on retrouve la force d'inertie vue en I-2..
La force de Coriolis est une force perpendiculaire à la vitesse V. Il ne sera pas possible d'accélérer une particule avec elle, mais juste de dévier sa trajectoire.

Rappel sur le produit vectoriel

Etant donné deux vecteurs A et B, on peut construire un troisième vecteur, appelé « produit vectoriel de A et de B ». Si dans une base (eX, eY, eZ) donnée, le vecteur A a pour composante A (a1, a2, a3), et le vecteur B(b1, b2, b3), alors le vecteur produit vectoriel de A et B a pour composante :

A ´ B (a2b3 – a3b2, a3b1 – a1b3, a1b2 – a2b1)

D'un point de vue pratique, A ´ B est un vecteur perpendiculaire à la fois à A et à B. On peut prévoir sa direction par la « règle de la main droite » : si A est représenté par le pouce, B par l'index, alors A ´ B  est donné par la direction du majeur. Ce "truc" sera utile dans la suite pour comprendre dans quelle direction s'exerce la force de Coriolis. Attention à bien prendre la main droite !
Rappel sur l'accélération

L'accélération est une quantité qui indique les variations de vitesse. Elle s'écrit donc sous la forme : a =  . C'est une grandeur vectorielle, qui indique comment "bouge" le vecteur vitesse. Mais il ne faut pas croire que parce que la valeur numérique de la vitesse est constante, il n'y a pas d'accélération. Pour bien voir cela, considérons un mouvement circulaire uniforme. Le mot "uniforme" indique que la valeur de la vitesse reste constante. Mais il est clair que sa direction bouge (sinon le mobile irait tout droit). Il y a donc une variation du vecteur vitesse, et donc, une accélération. On peut d'ailleurs trouver la forme de cette accélération, comme le montre le dessin ci-dessous :. On voit donc que lors d'un mouvement circulaire uniforme, le mobile est accéléré, et que cette accélération est dirigée vers le centre de la trajectoire.

III- Quelques manifestations de la Force de Coriolis sur Terre


Maintenant que nous avons établi la forme mathématique de la Force de Coriolis, nous allons voir ses plus célèbres manifestations sur Terre.  Dans toute la suite,   sera le vecteur rotation de la Terre autour de son axe, orienté du pôle Sud vers le pôle Nord, valant rad/s.

1. Déviation vers l'Est

L'expérience de "déviation vers l'Est" concerne la déviation latérale d'un corps en chute libre. On lâche un objet (une bille, par exemple) d'une hauteur h (A)  et on observe que l'objet n'atterrit pas exactement à la verticale de là où il a été lâché (B). Le décalage  atteint quelques centimètres pour un lâcher du haut de la Tour Eiffel, par exemple.

        Comment expliquer ceci ? La vitesse de la bille est pratiquement verticale, la force de Coriolis FC = 2 m VR’ ´ est donc dirigée vers l'Est (faire le produit vectoriel par la méthode de la main droite : la vitesse de la bille est selon le pouce, l'axe Nord-Sud de la Terre selon l'index. La force de Coriolis, selon le majeur, est bien vers l'Est). C'est cette force qui dévie légèrement V vers l'Est. Pour un calcul plus quantitatif, on est confronté à une difficulté mathématique : pour calculer V, on a besoin de connaître l'accélération, donc les forces, mais celle de Coriolis dépend de V... Pour s'en sortir, on procède par une méthode appelée "méthode des perturbations" : on dit que, en première approximation, l'effet de Coriolis est très petit devant la gravitation (environ 100.000 fois plus petit !) et le mouvement est purement vertical : V = g t. Puis de là, on calcule la force de Coriolis résultante et une nouvelle expression de la vitesse corrigée. Et ainsi de suite : nouvelle vitesse, nouvelle force... En pratique, il suffit de calculer la première correction.

Cela donne : FC = 2 m VR’ ´

d'où une première expression de la force de Coriolis : FC = 2 m g t ´  ;

puis en intégrant, une vitesse vers l'est qui vaut : Vesr = g t 2 ´  ;

en intégrant de nouveau, on trouve la déviation : x = t 3 g ´  ;

où t est le temps de chute : t = .

Soit au finale, la déviation en fonction de la hauteur : x = 2  cos  , où  est la latitude du lieu, 48 degrés pour Paris par exemple. Ceci donne 8 cm pour la Tour Eiffel.

Newton avait déjà eu l'intuition qu'un tel phénomène devrait être observé en faisant le raisonnement suivant (voir figure ci-dessus); le point A où la bille est lâchée est plus loin de l'axe de rotation de la Terre et a donc une vitesse plus grande que le point B situé à l'aplomb de A. Il est donc compréhensible que la bille, ayant une vitesse d'entraînement vers l'Est supérieure à celle du point B, atterrisse plus à l'Est que A.

2. Déviation vers la droite (Hémisphère Nord)

Le phénomène de déviation vers la droite (vers la gauche dans l'Hémisphère Sud, mais on se placera au Nord dans toute la suite) est sans doute la cause des effets les plus connus dus à la force de Coriolis. Il est notamment à l'origine du sens d'enroulement des nuages autour des anticyclones et dépressions, comme on va le voir plus loin. L'idée de base est simple : pour un objet lancé horizontalement à vitesse constante V, par exemple un obus, la force de Coriolis est perpendiculaire à V et orientée vers la droite vue du l'obus (il suffit de construire le produit vectoriel par la règle de la main droite pour s'en convaincre).
        Cet effet est loin d'être négligeable dans certains cas. Car l'accélération résultant de la force de Coriolis vaut FC = 2 m VR’ ´ , soit, en intégrant deux fois, une correction au mouvement rectiligne de l'ordre de V t  , où t est le temps de vol. Si d est la longueur de la trajectoire, t =   et on obtient une déviation vers la droite de l'ordre de  . Pour des valeurs  de balistique classiques (V = 1000 km/h, l = 10 km), on trouve quelques dizaines de mètres. Ainsi, pendant la bataille des îles Falkland (Hémisphère Sud) durant la Seconde Guerre Mondiale, les canons anglais, réglés pour corriger la force de Coriolis dans l'Hémisphère Nord, ont tiré des obus une centaine de mètres à gauche de leur cible !

Sans rentrer dans les détails, le phénomène de déviation vers la droite est aussi à l'origine du fonctionnement du pendule de Foucault (V), de l'usure plus marquée des rails droits sur les lignes droites de chemin de fer, et prend part à la formation des méandres des fleuves. C'est encore lui qui est responsable du sens d'enroulement des nuages autour des dépressions, et lui toujours qui a créé le mythe tenace du tourbillon dans le lavabo.




3. Le mythe du lavabo

Nous avons tous entendu un jour cette histoire fabuleuse concernant

les lavabos qui se vident. D'après cette histoire, le tourbillon qui se forme

au-dessus du siphon tournerait dans le sens des aiguilles d'une montre dans

l'hémisphère Sud, dans le sens contraire dans l'hémisphère Nord. Certains

chanceux qui ont pu changer d'hémisphère prétendent

même avoir pu observer cette effet...

L'explication viendrait de la force de Coriolis :

En fait on retrouverait le même mécanisme que pour les cyclones. Mais il y a une différence majeure entre les deux phénomènes : leur échelle !

Pour comprendre ce qui se passe dans un lavabo, nous allons essayer de calculer un ordre de grandeur de la force de Coriolis, et la comparer aux autres forces en présences. L'écoulement dans un lavabo a une vitesse faible, de l'ordre de 0,1 m/s. La force de Coriolis par unité de masse a alors, sous nos latitudes, une intensité de l'ordre de FC = 10 – 5 N/kg . Nous allons à présent comparer cette force à celle introduite par une différence de pente entre deux parois du lavabo, comme sur la figure ci-dessous :

On considère deux particules de même masse de part et d'autre du siphon.

La force qui pousse la particule vers le fond est la projection de

son poids sur la paroi. On obtient : P1 = P sin a et P2 = P sin b

Pour avoir P1 – P2 de l'ordre de la force de Coriolis, il suffit

d'avoir P1 – P2 = 10 – 5, soit a – b = 10 – 6 rad.
Ce qui correspond pour une baignoire d'un mètre avec un écart de 1 µm !!!

Autant dire que la moindre irrégularité de surface entraîne une force supérieure à la force de Coriolis, autorisant ainsi le tourbillon à tourner dans le sens qu'il veut (ce sens dépendant essentiellement de ce que l'eau n'est jamais totalement au repos, mais a un sens de rotation privilégié qui sera amplifié par le tourbillon).

Par contre, si on considère un très grand récipient, avec de l'eau initialement bien au repos, alors on peut mettre en évidence l'existence d'un sens de rotation privilégié suivant l'hémisphère.

Comme l'ont montré Arsher Shapiro1 et Lloyd Trefethen2, pour percevoir une telle influence, il est nécessaire d'observer une masse d'eau stabilisée dans un très grand bassin circulaire (d'un diamètre de l'ordre d'au moins plusieurs dizaines de kilomètres pour un effet en centimètres). Dans le siphon d'un lavabo, le sens de rotation de l'eau est dû à la géométrie du lavabo et aux microcourants d'eau créés lors de son remplissage (ou lors d'une agitation de l'eau).
Exemple de calcul de l'accélération de Coriolis a

On utilise cette relation : a = 2  v sin 

avec :   : vitesse angulaire du pivotement sidéral de la Terre. Prenons  = rad/s.

v : vitesse de l'eau en mouvement. Prenons v = 1 m/s

  : latitude du lieu considéré. Prenons  = 60 °

Application numérique : a = soit a » 0,0001 m/s 2.

Soit 100 000 fois moins que l'accélération due à la pesanteur (g = 9,81 m/s 2). Donc le bassin se vide bien avant que la déviation due à Coriolis se fasse sentir.

1 Arsher Shapiro, "Bath tub vortex", Nature, 196, 1080-1081, 1962, pour l'hémisphère Nord.

2 Lloyd Trefeten et al "The bath tube vortex in the southern hemisphere", Nature, 207, 1084-1085, 1965, pour l'hémisphère Sud.

Ph. Georges Sciences /

similaire:

I- première approche de la force de Coriolis icon1. De la vignette dite clinique 9
«vignettes cliniques», qui confirment cette tendance à la casuistique. À première vue, la psychanalyse semble ainsi être depuis ses...

I- première approche de la force de Coriolis iconI) Force de Laplace 1) mise en évidence de la force de Laplace (voir p 76 a la force de Laplace

I- première approche de la force de Coriolis icon279 Un détenu peut-il disposer librement de son argent ?
«indigents» sont pour leur part plus vulnérables dans les rapports de force et ils dépendent entièrement de l’administration pour...

I- première approche de la force de Coriolis iconL Es lois de newton
«force» et «vitesse», mais entre «force» et «variation de vitesse» entre deux dates

I- première approche de la force de Coriolis iconForce d’attraction gravitationnelle et vitesse de liberation
«Tout corps matériel dans l’univers attire tout autre corps avec une force directement proportionnelle au produit de leurs masses...

I- première approche de la force de Coriolis iconPremière phase La première opération à effectuer est d’obtenir l’ensemble...

I- première approche de la force de Coriolis iconProjet expérimental de développement Professionnel Continu : «Approche...
Approche éthique de la prise de décision en soins palliatifs, une équipe de trois professionnels s’est constituée. Les trois profils...

I- première approche de la force de Coriolis iconLa force est une grandeur vectorielle ayant une grandeur et une orientation
«somme») ainsi que celles dans le sens vertical ( Fy = 0), alors la force nette sur l’objet est nulle et l’objet maintient un mouvement...

I- première approche de la force de Coriolis iconL’approche bioénergétique

I- première approche de la force de Coriolis iconNe doit pas être confondu avec
«Internet» est dérivé du concept d'internetting (en français : «interconnecter des réseaux») dont la première utilisation documentée...






Tous droits réservés. Copyright © 2016
contacts
d.20-bal.com