Quand les ondes imitent le comportement d’un gaz

Marlone Vernet et Eric Falcon, chercheurs du CNRS et de l’Université Paris Cité, au laboratoire Matière et Systèmes Complexes, ont observé un phénomène étonnant : dans un système agité de manière aléatoire, des ondes peuvent se comporter comme les molécules d’un gaz.

Dans leur expérience, des ondes se propagent sur une membrane flottante, secouée aléatoirement à petite échelle. Malgré ce désordre, les ondes à grandes échelles atteignent un état d’équilibre, où l’énergie se répartit également entre ces différentes échelles, comme dans un gaz à température constante. C’est le régime d’équilibre thermique ou « équilibre statistique ».

Cet équilibre inattendu pour un ensemble d’ondes aléatoires permet de mesurer des propriétés comme la température, le désordre (entropie) ou la capacité qu’a le système d’ondes à stocker de l’énergie. Ces mesures confirment que, même dans un environnement turbulent, certaines lois de la thermodynamique restent valables. Ces travaux seront publiés prochainement dans la revue Physical Review Letters.

Ces résultats offrent une nouvelle manière de comprendre la turbulence à grande échelle, en s’appuyant sur les outils de la physique statistique. Une avancée prometteuse pour mieux décrire des systèmes complexes allant de l’océan à l’atmosphère.

Ondes hydroélastiques turbulentes se propageant sur une membrane flottante. Le diamètre de l’anneau solide est de 60 cm. Le batteur à ondes se trouve en bas à droite. Le réseau de franges permet d’accéder à la mesure de l’amplitude du champ d’ondes par profilométrie. Ce système expérimental permet de montrer l’existence d’un régime d’équilibre statistique pour les ondes hydroélastiques.