LE RÉGIME HYDRAULIQUE
Si la diffusion joue un rôle aussi effacé dans les phénomènes naturels, on est tenté de se demander : y a-t-il réellement une dégradation de l'énergie dans la nature?
On est d'autant plus excusable d'en douter que d'innombrables développements littéraires nous ont rendu familière l'idée que les transformations réciproques des forces naturelles laissent quelque chose d'inaltéré dans le monde et ne touchent pas à « l'énergie. »
Jean-Baptiste Dumas célébrait, après bien d'autres, ces « harmonies de la nature » dans le style grandiloquent qui lui était habituel. Parlant de l'équilibre qui s'établit entre l'acide carbonique de l'air et les bicarbonates de la mer, il s'écriait :
« Voilà, certes, un budget en parfait équilibre î L'atmosphère rend à la mer tout ce qu'elle en a reçu; celle-ci lui reslitue tout ce qu'elle lui a pris, et les eaux fluviales remplissent leur office d'honnête courtier, opérant sans frais le transport de l'acide carbonique de l'une à l'autre 1 ».
1. J.-B. Dumas. Éloge de Henri Sainte-Claire Deville. Cité dans Gay : Lectures scientifiques, Physique et Chimie, 2 e édit., p. 657. (Hachette et C ie , 1906.)
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Est-il donc vrai que quand les eaux fluviales ont rapporté à la mer ce que Févaporation lui avait soustrait, tout se retrouve exactement dans le même état, et que le monde n'ait pas changé?
L'énergie mécanique acquise par la vapeur dans son transport de la mer aux glaciers est empruntée à la radiation solaire. Quand elle retourne à la mer, l'eau venue des glaciers a perdu cette énergie mécanique, elle ne la rapporte pas avec elle. La majeure partie a été dissipée. Elle représente le travail des eaux courantes. Chaque rivière creuse. son lit. S'il se produit un abaissement de l'aval du lit d'un fleuve, l'approfondissement du lit recommence, en progressant de l'aval vers l'amont.
L'énergie mécanique de l'eau qui tombe s'use donc en frottements contre le sol qu'elle attaque. N'est-ce pas un simple cas particulier du frottement des liquides et de la viscosité? Et, dès lors, est-on fondé à dire que la viscosité ne joue pas un rôle actif dans la nature?
Une expérience de laboratoire, due à M. Brillouin, permet de mettre en évidence deux régimes distincts dans l'écoulement d'un liquide dans un tuyau. Prenons une éprouvette un peu haute, 60 centimètres environ, pleine d'eau : un orifice pratiqué dans la paroi, vers la partie inférieure, est muni d'un bouchon que traverse un tube horizontal capillaire. L'eau va s'écouler en un jet parabolique. Avec une très faible hauteur d'eau dans l'éprouvette, 4 ou 5 centimètres au-dessus de rorifîce, on a un jet très régulier, lisse et transparent. Avec une très grande hauteur d'eau, on a un jet régulier encore, mais, cette fois, à parois rugueuses, et qui semble opaque. Si on laisse l'écoulement se faire à partir d'une grande hauteur, on passe d'un régime à l'autre, mais on n'y passe pas par transitions insensibles : on a, pendant un moment,
un jet dont la portée varie sans cesse entre deux limites, comme s'il hésitait entre deux positions extrêmes : il oscille entre deux régimes.
Le régime du jet lisse et transparent est le régime dit « de Poiseuille », du nom du phycisien qui a formulé les lois de l'écoulement des liquides dans les tubes capillaires. C'est le régime dans lequel l'eau qui coule par un tube de verre se subdivise en une série de tubes creux concentriques, glissant les uns sur les autres avec le frottement qui résulte de la simple diffusion du mouvement : en ce cas, la diminution de pression qui résulte de l'écoulement même, ou, comme l'on dit r la perte de charge, est proportionnelle à la vitesse même d'écoulement.
Le régime du jet opaque et rugueux est le « régime hydraulique » dans lequel la perte de charge est plus considérable, et varie comme le carré de la vitesse, devenant quadruple pour une vitesse double. Alors la rapidité du mouvement est trop grande pour que le régime de Poiseuille soit stable : il se produit, dans un tube, des ondulations qui font qu'une même goutte d'eau va de l'axe au bord et revient du bord à l'axe, au lieu de glisser simplement sur une ligne parallèle à l'axe : en canal ouvert, ces ondulations font place à ces mouvements tourbillonnaires autour d'une cavité centrale évasée en entonnoir, qui, dans certaines sections de cours d'eau, semblent bien se produire spontanément.
Les conditions du passage du régime de Poiseuille m régime hydraulique ont fait l'objet des travaux de M. Maurice Couette et de divers physiciens. La coexistence des deux régimes peut être réalisée dans des appareils de laboratoire : dans les cours d'eau naturels, c'est le régime hydraulique qui domine.
C'est le régime hydraulique, on le voit aisément, qui correspondra à la plus rapide destruction de force vive par frottements contre les rives et contre
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le fond. Et le tourbillon de cours d'eau, caractéristique de ce régime, sera l'agent le plus actif de la dégradation de l'énergie mécanique dans la nature.
