Vérification d'un vortex

Dans les années 1960, grâce principalement au professeur de génie mécanique du MIT Ascher Shapiro '38, PhD '46, le monde est devenu captivé par la question de savoir comment une baignoire s'écoule.

Harold Edgerton a capturé cette vue latérale d'un vortex d'eau en 1939. Plus de deux décennies plus tard, Ascher Shapiro démontrait l'effet Coriolis à l'échelle de la baignoire.

Les scientifiques savaient que la rotation de la Terre modifie la trajectoire des objets en mouvement. Ce phénomène provoque la rotation des systèmes météorologiques à basse pression dans le sens antihoraire dans l'hémisphère nord et dans le sens horaire dans l'hémisphère sud. L'effet Coriolis, comme on l'appelle, était depuis longtemps bien documenté à de telles échelles.

Mais malgré les tentatives précédentes, personne n'avait montré que l'effet, décrit pour la première fois en 1835 par l'ingénieur et mathématicien français Gustave-Gaspard Coriolis, fonctionnait également à très petite échelle. Bien qu'en théorie, cela devrait influencer la sortie de l'eau du bain par un drain, l'effet Coriolis était considéré comme trop petit pour être vu.

En 1962, l'année même où Watson et Crick ont ​​reçu leur prix Nobel pour la découverte de la double hélice, Shapiro a mis en place un test élaboré pour tenter de montrer une fois pour toutes que l'effet de Coriolis pouvait, en fait, être vu à l'échelle d'une salle de bain domestique ordinaire.

Pour son expérience, Shapiro a utilisé une baignoire circulaire à fond plat avec un trou de vidange centré de trois huitièmes de pouce de diamètre auquel il a attaché un tuyau de 20 pieds de long, bouché avec un bouchon à l'extrémité. Il a rempli le réservoir de six pouces de profondeur avec de l'eau propre à température ambiante.

De petites variations - un mouvement d'air, un changement de température, une perturbation de surface - créent des courants de flottabilité qui éclipsent l'effet Coriolis. Shapiro a donc beaucoup travaillé pour annuler ces possibles sources d'interférences, en recouvrant le réservoir d'une feuille de plastique pour empêcher les courants d'air, par exemple, et en contrôlant soigneusement la température de la pièce. Il a également rempli le réservoir en faisant tourbillonner l'eau dans le sens des aiguilles d'une montre, de sorte que si l'eau s'écoulait dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, la direction n'aurait pas été influencée par la façon dont le réservoir a été rempli.

Après 24 heures de laisser l'eau se déposer, Shapiro a soigneusement retiré le bouchon de l'extrémité du tuyau, plaçant doucement au-dessus du drain un petit flotteur composé de deux éclats de bois croisés d'un pouce de long. Il a fallu environ 20 minutes pour que la baignoire se vide complètement. Pendant les 12 à 15 premières minutes, le flotteur est resté immobile. Ensuite, il a commencé à tourner presque imperceptiblement, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, atteignant une vitesse de pointe d'environ un tour toutes les trois à quatre secondes.

Prouver que l'effet Coriolis peut être détecté dans un réservoir de la taille d'une baignoire, bien que dans des conditions soigneusement contrôlées, a été une réalisation remarquable. À la latitude de 42° du MIT, l'effet n'était que de trente millionièmes de celui de la gravité, qui est si faible qu'il sera surmonté par le remplissage et même les différences de température et les impuretés de l'eau, a rapporté l'un des nombreux journaux et périodiques couvrant l'expérience.

Les résultats de Shapiro ont été publiés dans Nature et vérifiés par des collègues qui ont utilisé sa technique pour démontrer un écoulement dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère sud. Les découvertes ont fasciné un public curieux de tous âges. Shapiro deviendrait également connu pour expliquer et améliorer l'aérodynamisme des fossettes des balles de golf, ainsi que pour avoir aidé à développer le ballon intra-aortique pour les patients cardiaques et des dispositifs pour traiter les caillots sanguins, l'asthme, l'emphysème et le glaucome. Mais pendant plus d'une décennie après le test de la baignoire, il recevait des lettres et des coupures de journaux du monde entier sur ce qui était surnommé la controverse sur le vortex de la baignoire.

Plusieurs étudiants ont demandé comment répéter l'expérience pour des projets de classe, tandis qu'une institutrice californienne qui avait visité 87 pays a avoué que tirer des bouchons de baignoire était devenu un passe-temps pour elle : je les ai tirés de la Terre de Feu à Barrow, en Alaska et à Narvik, Norvège, à Capetown et en Tasmanie. Une lettre déconcertante d'un éditeur de Pennsylvanie décrivait des tentatives d'utilisation des travaux de Shapiro dans des expériences avec des plantes : j'essaie de dupliquer les résultats maintenant dans ma serre, avec des géraniums. Un homme de Lausanne, en Suisse, a écrit à plusieurs reprises, insistant sur le fait que la rotation du drainage de la baignoire était liée à la pression barométrique. Sa troisième lettre à Shapiro, qui avait gracieusement répondu aux deux premières, s'est terminée, j'espère que cela ne vous dérange pas ; J'en profite.

Pour un problème apparemment insignifiant, le problème de la baignoire a occupé une place importante dans sa carrière. À sa mort en 2004, la première ligne de sa nécrologie du Boston Globe disait : Le Dr Ascher Shapiro voulait savoir comment les fluides se déplacent, qu'ils tourbillonnent dans le drain de la baignoire ou qu'ils traversent le corps humain.

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