On se pose souvent la question « pourquoi y-a-t-il quelque chose plutôt que rien ? ». A cette question la physique répond par "à cause d’instabilités". Dans le monde, presque tout est instable, pour peu que l’on dépasse certains seuils, parfois de force, parfois de vitesse. Tout phénomène dans l'univers physique, dépend de paramètres, et, le monde étant variable, ces paramètres ont tendance à changer; tant est si bien que pour certaines valeurs de ces paramètres, des instabilités se produisent, grâce auxquelles quelque chose est donné à voir, qui vaut mieux que rien. (NB : L’instabilité ultime serait celle du néant : le néant serait instable vis-à-vis de lui-même, mais cela est plutôt du ressort de la métaphysique).
Voici donc un petit questionnaire sur les instabilités physiques, leurs théories et leurs manifestations.
1-Lorsqu’on chauffe un liquide par en dessous, le liquide chaud tend à monter et le liquide froid à descendre. Ce phénomène déstabilise les couches de fluides chauffées, qui se mettent à former des cellules de convection : le liquide froid descend au centre des hexagones et monte sur les bords. Ce phénomène est à l’origine :
A-de la forme hexagonale des flocons de neige.
B-la forme hexagonale des chaussées de géants
C-de la forme hexagonale des nids d’abeille
D- de la forme hexagonale des pépins de grenade.
2-A la surface d’un liquide existe une force de tension, qui permet par exemple aux moustiques de se tenir sur l’eau comme nous sur un trampoline. Cependant, la tension de surface dépend de la nature du liquide, ainsi que de sa température. Lorsque deux fluides en contact sont maintenus à des tensions de surfaces différentes, il se produit une instabilité appelée « effet Marangoni ». Cet effet est à l’origine :
A-des perles de rosées sur les toiles d’araignées
B-des perles de sueur sur le front
C-des perles de vin, appelées larmes
D-des perles
3-Lorsqu’on pousse un liquide peu visqueux contre un liquide plus visqueux, l’interface tend à se déstabiliser car lorsque du liquide visqueux est laissé en arrière, il devient de plus en plus difficile de le pousser. Ceci génère des « digitations » de fluide peu visqueux dans le fluide plus visqueux. Cette instabilité, appelée instabilité de Saffman-Taylor est à l’origine :
A- des formes dendritiques dans les schistes
B- des arborisations pulmonaires
C- de la forme des racines des arbres
D- de la forme des neurones
4-Lorsqu’on pousse une feuille plane dans son plan, comme une serviette, elle plie au-dessus d’un seuil appelé seuil de flambage. Cette instabilité résulte de la compétition entre la compression qui tend à fléchir le plan, et le couple de courbure du plan qui s’oppose à la flexion. Cette instabilité, appelée flambage d'Euler, est à l’origine
A-de la forme en vol des lassos
B-des villosités intestinales
C-des motifs sur l’iris des yeux
E-des empreintes digitales
5-Lorsqu’un solide se forme par refroidissement d’un bain fondu, la diffusion de la chaleur produite par le changement de phase (« chaleur latente ») est plus rapide si la surface est pointue. Ce phénomène tend à déstabiliser les surfaces en cours de solidification. Cette instabilité connue sous le nom d’instabilité de Mullins-Sekerka explique :
A-la formation des pignons de pin
B-la formation des flocons de neige
C-la présence de défauts dans les semi-conducteurs produits dans l’industrie électronique
D-la formation des rinceaux de givre
6-Lorsqu’un fluide s’écoule autour d’un obstacle, il se forme au-dessus d’un certain seuil de vitesse du fluide, une instabilité de l’écoulement formant une succession de tourbillons alternés appelés allée de von Karman. Cette instabilité s’observe couramment
A-derrière les rochers ou épaves en mer
B-derrière les poteaux dans la rue, quand il y a du vent
C-derrière une personne qui court
D-dans le sillage des oiseaux ayant un long cou (autruches, cygnes etc.)
7-Lorsqu’un fluide s’écoule sur un autre, l’interface se déstabilise, des tourbillons apparaissent qui brassent les deux fluides. Cette instabilité, appelée instabilité de Kelvin-Helmoltz est visible dans le nuage :
A-
B-
C-
D-
8-Lorsqu’un liquide est étalé ou coule sous forme cylindrique, il tend à se déstabiliser en formant des « varices ». Cette instabilité dite instabilité variqueuse, ou instabilité de Rayleigh, explique :
A-la forme des varices
B-la formation des perles de rosée sur les toiles d’araignées
C-l’origine du jeu de quilles, les cylindres en plâtre prenant originellement spontanément une forme en quille
D-la forme des berlingots, qui se segmentent spontanément quand le sucre coule
9-A la surface des fluides existe une force de tension appelée tension de surface. L’exercice de cette force a un coût énergétique (énergie interfaciale). Comme la nature essaie toujours de minimiser les énergies, cette tension de surface essaie d’être minimale, c’est pourquoi les surfaces adoptent la configuration la plus petite possible, étant donné le contexte –surface d’une tasse, bulle de savon, film de savon tendu dans un cadre : toujours des formes géométriques simples et stables. Cependant, il arrive que la surface pousse de l’intérieur et s’oppose à sa propre surface, quand de la physique « en plus » intervient à la surface, et tend à la relâcher. Cet effet crée une instabilité appelée effet Lippman. L’effet Lippman est à l’origine :
A-des convolutions du cerveau.
B-du battement des électrodes liquides en mercure comme ici :
http://www.youtube.com/watch?v=m6631u7d4E0
C-des battements du cœur
D-de la formation des pétales d’amarante
10-Instabilités en bandes de cisaillement. Lorsqu’un solide ou une pâte est secouée, elle tend à « fluer », ou s’écouler dans la région la plus cisaillée. Cependant, la région moins cisaillée demeure solide. Lorsque ce phénomène est entretenu, on observe la formation spontanée d’instabilités qui ségrègent le matériau en bandes. Ce phénomène a été invoqué pour expliquer :
A-La formation des anneaux de Saturne
B-La formation des grandes structures de l’univers
C-L’instabilité des fluides à seuil sur des hauts-parleurs (voir là-haut en tête du billet)
http://www.youtube.com/watch?v=3zoTKXXNQIU
D-La rupture des sacs en plastique trop chargés, quand on revient des courses.