Effet Coriolis : le sens de rotation de l'eau dans l'évier dépend-il vraiment de l'hémisphère où l'on se trouve ?

Dans les pays proches de l'équateur terrestre, les touristes sont souvent éblouis par la démonstration d'un mystérieux phénomène physique. Un présentateur positionnera trois seaux d'eau - un dans l'hémisphère nord, un dans l'hémisphère sud et un directement sur l'équateur - et laissera l'eau s'écouler.

On montre aux touristes que, lorsque l'eau s'écoule, l'eau du seau nord tourne dans un sens, l'eau du seau sud tourne dans l'autre sens et l'eau à l'équateur ne tourne pas du tout.

Les touristes des pays proches de l'équateur, comme l'Ouganda et l'Équateur, sont émerveillés par les attractions qui prétendent démontrer l'effet Coriolis.

Le démonstrateur pourrait prétendre que ce phénomène étrange est gouverné par la physique, qu'il s'agit d'un exemple de l'effet Coriolis.

La nature intrigante de l'effet Coriolis a conduit à ses fréquentes apparitions dans les légendes urbaines et la culture populaire, des émissions de télévision aux jeux vidéo.

L'effet Coriolis est basé sur l'idée que la rotation de la Terre introduit une force physique, connue sous le nom de force de Coriolis, qui affecte la façon dont les objets semblent se déplacer pour nous, observateurs terrestres. La force de Coriolis provoque la déviation des objets à la surface de la Terre dans différentes directions selon qu'ils se trouvent au-dessus ou au-dessous de l'équateur. L'effet est le plus fort près des pôles et le plus faible à l'équateur.

L'effet Coriolis est légitimement responsable du comportement de certains phénomènes naturels, comme les ouragans, que les météorologues et les océanographes physiques comme nous deux étudient. Mais dans les environnements domestiques, la rotation de la Terre a en fait très peu d'effet sur le comportement de l'eau. Les mathématiques peuvent expliquer comment cela fonctionne - ou ne fonctionne pas - dans un évier de cuisine.

Les maths derrière le phénomène

Les géophysiciens utilisent certaines équations mathématiques, connues sous le nom d'équations de Navier-Stokes, pour décrire le comportement des fluides. En gros, les équations de Navier-Stokes relient le changement de vitesse du fluide - comment le fluide se déplace - aux forces agissant sur le fluide, sous réserve de quelques contraintes physiques. Par exemple, les équations supposent que la quantité globale de fluide dans le système ne change pas avec le temps.

Mais ce n'est pas parce que les physiciens et les mathématiciens peuvent écrire ces équations que nous pouvons les résoudre. En fait, ces équations sont si difficiles à résoudre que vous gagneriez un prix du millénaire et 1 million de dollars américains si vous pouviez le faire.

Bien qu'il n'y ait pas de solution complète connue aux équations de Navier-Stokes, les météorologues et les océanographes physiques peuvent toujours obtenir des solutions partielles utiles. Une façon d'obtenir ces solutions partielles est de comparer divers termes dans les équations de Navier-Stokes pour déterminer lesquels sont les plus importants.

Ces comparaisons sont souvent enregistrées sous forme de ratios et n'ont pas d'unité physique associée, ce qui leur vaut le nom de "nombres sans dimension".

Que se passe-t-il dans votre évier ?

Dans le contexte de l'effet Coriolis, le nombre sans dimension le plus important est peut-être le nombre de Rossby, du nom du météorologue du début du XXe siècle Carl-Gustav Rossby. Le nombre de Rossby compare la dynamique du fluide au taux de rotation de la Terre, en tenant compte de la taille du système et de sa vitesse de déplacement.

Un petit nombre de Rossby indique que la force de Coriolis a un effet important sur le système, tandis qu'un grand nombre de Rossby signifie que la force de Coriolis a un effet négligeable. Par exemple, le nombre de Rossby pour un ouragan moyen est de l'ordre de 1, indiquant que la dynamique du fluide et le taux de rotation de la Terre sont d'une importance similaire. Il est vrai que les ouragans ont tendance à tourner dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère sud et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère nord.

Le même calcul qui s'applique aux phénomènes à grande échelle comme les ouragans s'applique également à l'eau de votre lavabo. Dans ce contexte, le système est relativement petit, et donc le nombre de Rossby sera beaucoup plus grand que 1 - plus de 10 000 fois plus grand. Cette observation indique que la force de Coriolis est négligeable sur l'eau qui s'écoule dans un lavabo de salle de bain.

En fait, le nombre de Rossby prédit que l'eau devrait se déplacer à une vitesse presque imperceptible pour que la force de Coriolis devienne significative. Ainsi, même si la façon dont l'eau tourbillonne dans le drain peut être cohérente, cela n'est pas dû à l'effet Coriolis.

Alors qu'est-ce que les touristes ont vu?

La même logique s'applique aux attractions équatoriales. Compte tenu de la taille du système, les océanographes physiques peuvent facilement conclure que la force de Coriolis n'est pas responsable de ce que les touristes voient dans ces seaux ou bols.

Cette conclusion est également étayée par l'examen du même type de présentation dans différents pays.

Différentes vidéos de l'effet Coriolis montrent l'eau tournant dans différentes directions dans le même hémisphère.

L'eau dans l'hémisphère nord tourne dans le sens antihoraire dans une vidéo mais dans le sens horaire dans une autre vidéo. Si la rotation était due à l'effet Coriolis, le résultat serait le même dans les deux vidéos.

Bien que les océanographes physiques ne puissent pas nier ce que voient les touristes, nous savons que le tour de magie n'est pas dû à l'effet Coriolis à une si petite échelle.

Cet article a été publié initialement sur le site The Conversation : cliquez ICI