Comment se forment les ronds de fumée ?

L'Etna recrache des anneaux de fumée, dont le diamètre varie entre 50 et 200 m. Ils subsistent plusieurs minutes avant de se disloquer sous l'effet du vent. Photo © Jürg Alean / Swisseduc.ch

Certains fumeurs arrivent très bien à créer des ronds de fumée. Mais ils ne sont pas les seuls ! Les dauphins, par exemple, arrivent aussi à faire des bulles en forme d'anneaux avec lesquels ils jouent. Même les volcans s'y mettent ! (voir image).

Petit anneau deviendra grand

Pour obtenir un rond, il faut deux conditions initiales : de la fumée et une vitesse de départ. Dans la cas du volcan, ce sera les fumerolles et l'air chaud ascendant qui sort du cratère. Mais tous les jets de fumée ne donnent pas des ronds. Observez le panache d'un cocotte-minute : vous n'avez aucune chance d'observer des ronds de fumée. Et pourtant, il existe bien de minuscules perturbations au départ du bouchon. Si on observait bien, on verrait une suite de petits anneaux qui s'enchaînent. Hélas, ils ne durent pas assez longtemps et finissent en système chaotique appelé turbulence.

Rond tourbillonnant

Un rond de fumée ne peut s'obtenir que si le jet est discontinu, comme un volcan qui produit des "bouffées" d'air chaud, ou comme les indiens qui interrompent le jet avec leur petit tapis. On obtient alors une nappe de vortex, qui va donner un rond de fumée. Ce rond est formé d'un cœur autour duquel le fluide tourne. Chaque partie de l'anneau est soumise à la vitesse induite des autres parties : la moitié droite de l'anneau tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, et la moitié gauche dans le sens inverse.

L'anneau ne peut donc pas rester immobile : il est en mouvement permanent par rapport au fluide qui l'entoure. Vous ne verrez jamais voir un anneau "flotter" au-dessus du cratère du volcan : il s'en éloigne inexorablement.

Un anneau éphémère

On peut calculer que l'anneau se déplace à une vitesse deux fois moins grande que la vitesse de l'air chaud qui se dégage du volcan. Cette vitesse dépend de la circulation du fluide autour du cœur. Plus cette dernière est rapide, plus l'anneau se déplace vite. Mais elle dépend aussi du rayon de l'anneau : quand le rayon augmente, l'anneau ralentit car chaque partie de l'anneau s'éloigne de celle d'en face qui lui communiquait sa vitesse.

La durée de l'anneau dépend de l'instabilité de l'air. Un oiseau qui passe, ou un coup de vent, et la belle symétrie de celui-ci va être perturbée. Un des côtés va tourner plus vite que l'autre et il va se disloquer.

En laboratoire, les scientifiques arrivent à obtenir des ronds de fumée qui durent plusieurs heures. Dans un milieu parfaitement calme, l'anneau est dominé par les forces de viscosité. Ces forces de contact entre les molécules maintiennent le système. Mais si on introduit trop d'énergie dans ce système, les forces cinétiques vont dominer la viscosité, et l'anneau sera détruit.

L'étude de tous ces phénomènes ne sert pas qu'aux indiens et aux dauphins : l'industrie aéronautique s'en sert par exemple pour réduire les nuisances sonores des avions (les jets turbulents font beaucoup plus de bruit). En maîtrisant ces turbulences, on peut diminuer le bruit jusqu'à 8%.

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