Introduction

Nous avons travaillé plusieurs semaines réparties sur une année pour comprendre et reproduire le phénomène des eaux mortes.

Méthode et résultats

Expérience

Dans l’hypothèse où vous voudriez reproduire cette expérience, nous vous donnons quelques informations utiles dans la suite de ce document.

Matériel nécessaire pour réaliser le projet

• Cuve en plexiglas (10 cm de large, 40 cm de haut, 150 cm de long) (http://www.acrylium.com) – 300 €.
• Bateau Playmobil® (environ 40 g, 6 cm de large, 4 cm de haut, 15 cm de long) (http://www.playmobil.fr/vacancier-avec-bateau/6795.html) – 5 €.
• Colorant alimentaire (favoriser le vert et le rouge) – 5 €.
• Sel – 1 kg.
• Makeblock® (pour le système de traction qui porte les poulies) – 30 €.
• Fil inextensible nylon – 3 €.
• Polystyrène + tube de 1 cm de diamètre.
• Réservoir (bidon + robinet).
• Éclairage nappe LED (éclairer l’arrière de la cuve pour un meilleur contraste).
• Petites masses précises (quelques grammes, utiliser des vis par exemple).
• Pompe (pour vider la cuve).

Les prix, marques et liens ne sont donnés qu’à titre indicatif.

Protocole expérimental

1. Mettre du sel dans la cuve (1 kg pour 20 L).
2. Mettre de l’eau dans la cuve (environ 10 cm de hauteur).
3. Mélanger pour obtenir une phase d’eau salée homogène.
4. Installer le système hydraulique pour faire la deuxième phase (eau non salée) (polystyrène à la surface, tubes percés, bidon d’eau colorée ouvert).
5. Laisser couler l’eau colorée à faible débit pour former la deuxième couche (moins dense). Cette étape est longue, compter une heure pour former une couche de 5 cm.
6. Retirer délicatement le système hydraulique pour ne pas mélanger les deux couches.
7. Installer le système de traction (deux poulies, fil nylon, poids de chaque côté pour équilibrer et tendre le fil). Penser à rincer les poulies à l’eau douce pour retirer le sel.
8. Attacher à chaque extrémité du bateau Playmobil® le fil nylon.
9. Placer le bateau à une extrémité du système et laisser reposer les deux couches pendant une dizaine de minutes.
10. Introduire une différence de poids entre les deux extrémités (pour induire une force de traction constante).
11. Observer et ajuster au besoin la force de traction.

Difficultés expérimentales

Les deux principales difficultés que vous pouvez rencontrer pendant cette expérience sont la création des deux couches de densités différentes et les problèmes de frottements irréguliers dans les poulies qui peuvent faire varier la vitesse du bateau.
Pour le remplissage, nous vous conseillons d’ajouter la deuxième couche très lentement à l’aide du système de remplissage polystyrène/tuyaux percés/bidon décrit précédemment. Une fois la bicouche en place, le système peut rester au repos une journée avant que la diffusion trouble l’interface.
Utilisez des poulies avec roulement à billes et nettoyez les abondamment avant et après chaque utilisation du montage pour éviter que le sel bloque les roulements.

Observations

Vidéo du phénomène

Diagramme spatio-temporel de la position du bateau corrélée à la position de la vague

Ce diagramme spatio-temporel résume bien le phénomène que l’on cherche à observer.

On trouve en abscisse le temps et en ordonnée la position du bateau (ligne rouge) par rapport à celle de la vague (bande jaune). La pente de la courbe rouge donne une indication sur la vitesse du bateau.

• Zone 1 : pente constante, le bateau se déplace à une vitesse constante et la vague le suit.
• Zone 2 : la vague rattrape le bateau, le bateau ralenti et la vague s’écrase sous le bateau (bande jaune plus étroite et devant la ligne rouge).
• Zone 3 : le bateau accélère et une vague se reforme derrière lui.
• Zone 4 : on retrouve ce que l’on observe dans la zone 1.

Conclusion

Nous avons reproduit le phénomène en laboratoire et étudié plusieurs paramètres influençant la vitesse du bateau. Une technique pour échapper aux eaux mortes consiste à dépasser la vitesse seuil caractéristique du phénomène.

Bibliographie

• Matthieu Mercier, Étude expérimentale de la génération de structures linéaires et non-linéaires (solibores, solitons) en milieu stratifié, 2010.
• V.W.Ekman, On dead water, Norw. N. Polar Exped. 1893-1896 : Sci Results, XV, Christiana. PhD thesis, 1904.
• F. Nansen, Farthest north : The epic adventure of a visionary explorer, Skyhorse Publishing, 1897.
• A. E. Gill, Atmosphere-ocean dynamics, Academic Press (London), 1982.

Nous tenons à remercier toute l’équipe encadrante des PSE qui nous a permis de mener à bien ce projet.

Annexes

Vous trouverez ci-dessous les codes Matlab utilisés pour le traitement des vidéos.

EauxMortes.m
SeuilOtsu.m