La mécanique en pleine mutation : une clé pour le futur

Espace d'entraînement d'escalade muni d'une SmartBoard, une prise d'escalade d'entraînement instrumentée et connectée, développée sur la base de recherches en biomécanique de l'Institut des sciences du mouvement (ISM). Elle quantifie les performances d'un grimpeur : ses capteurs mesurent la force exercée par les doigts sur les sites de préhension (les deux bacs supérieurs et les réglettes de différentes profondeurs). Les données sont traitées par une application permettant de caractériser le…

Simulation de crue exceptionnelle sur une canopée urbaine dans un canal hydraulique. Cette canopée de type "urbain" modélise un regroupement d'habitations, chaque cube noir représentant un bâtiment. Ce grand canal hydraulique mesure 26 m de long, 1,10 m de large et 0,50 m de haut. Le débit peut varier d'environ 1 L/s à 140 L/s (litres/seconde). Cinq grilles présentes à l'entrée du canal permettent de tranquilliser l'écoulement et d'avoir le maximum de contrôle sur la turbulence de l'écoulement…

Structures maçonnées modèles en forme d’arche, composées de briques en silicone recouvertes d’un mouchetis très fin (dépôt de poudre métallique). Ce mouchetis permettra de remonter au champ de déplacement après corrélation d’images. Les différentes structures ayant chacune subi des essais de compression, les champs de déformation et de déplacement expérimentaux sont ensuite comparés avec ceux obtenus numériquement. L’objectif est de réaliser des expériences permettant de valider les codes de…

Zone de tourbillon dans une bulle de savon soumise à une variation de température entre sa base et son sommet. La chaleur crée des courants de convection à la surface de la bulle. Ces courants se forment à l'équateur et montent vers le sommet de la bulle, partie plus froide. Des turbulences apparaissent et des grands tourbillons se forment de manière aléatoire, comparables aux cyclones dans l'atmosphère terrestre. Les bulles de savon présentent en effet des analogies de courbure et d'épaisseur…

Sur la plateforme tournante Coriolis, les chercheurs modélisent à petite échelle (2 m sur 3 m) l’effet de la rotation terrestre sur l’écoulement des vents, des marées ou des courants océaniques. Sur cette image, il s’agit d’une expérience visant à reproduire le Kuroshio - en japonais "courant noir" -, un courant marin chaud de l’océan Pacifique, et sa trajectoire autour d’îles japonaises de plus en plus vulnérables face au changement climatique. Le but est de simuler les fortes turbulences, les…

Tourbillon océanique cyclonique généré dans la cuve de la plateforme Coriolis du Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI). Cette plateforme tournante, la plus grande au monde, permet de modéliser les écoulements turbulents de l'atmosphère et de l'océan. Le vortex intense photographié ici va grossir grâce à la force de Coriolis et à un soutirage régulier, déformant la surface libre jusqu'à toucher le fond de la cuve. Un puissant laser vert qui éclaire l'intérieur du vortex…

Cette foisonnante forêt de tubes, éclairée à la lueur d’une nappe laser verte horizontale et immergée dans un bassin hydraulique, simule l'effet d’une végétation dense sur un courant marin. Nous sommes dans la plateforme Coriolis, un « manège » unique au monde qui permet de récréer les conditions physiques de la rotation terrestre. Les chercheurs tentent ici de reproduire la trajectoire et la structure du débit sortant des fleuves et des déversements qui entrent dans les océans. Transportant…

Expériences de courants de gravité sur la Grande Plaque Tournante Coriolis (modélisation expérimentale des écoulements géophysiques) avec prise en compte de l'effet de la rotation de la Terre (la surface libre produit une image double par effet miroir).

Reproduction d’un courant antarctique circumpolaire pénétrant partiellement dans une cavité, via la représentation simplifiée du relief sous-marin sous un iceshelf, une partie de banquise formée par l'avancée en mer d'un glacier. Cette image a été réalisée dans le cadre d’expériences reproduisant le phénomène d’érosion des grandes plaques de glace qui descendent de l’Antarctique à l’océan, au contact de courants océaniques sous-jacents, cachés à l’observation. Selon leurs résultats, les…

Déferlement d’une vague avec entraînement de sédiment, dans le canal à houle du Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI). Mise en évidence d’un jet diphasique. Le canal à houle et sédiments du LEGI permet d'étudier les mécanismes qui contribuent à l'érosion des plages ainsi que les techniques de lutte contre cette érosion.

Canal à houle, avec parois en verre, du Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI). Equipé d'un générateur de vagues, il mesure 36 m de long, 0,55 m de large et 1,20 m de haut. L’installation d’une plage constituée de particules plastiques permet de reproduire, à échelle réduite, le déferlement des vagues et l'entraînement des sédiments. L’évolution de profils de plage peut être caractérisée pour différents forçages, typiques de temps calmes ou de tempêtes. Cette…

Turbulences et vortex. Observations en fluorescence dans un plan laser. La fumée dessine dans l'air de nombreuses tailles et formes de tourbillons. Autant de structures qui montrent la complexité de la turbulence (propriété fondamentale de nombreux écoulements fluides dans les milieux naturels ou les systèmes industriels).

Tourbillon colonnaire (anticyclonique), visualisé par un colorant dans une cuve tournante (échelle 40 cm). L'écoulement dévié à 45 degrés vers l'extérieur dans la couche limite d'Ekman, est visualisé en fond de cuve par des cristaux de permanganate de potassium. L'objectif de cette expérience est pédagogique : expliquer la force de Coriolis en mécanique des fluides.

Demi-bulle de savon sur un socle rotatif chauffant soumise à une variation de température entre sa base et son sommet. La chaleur crée des courants de convection à la surface de la bulle. Ces courants se forment à l'équateur et montent vers le sommet de la bulle, partie plus froide. Des turbulences apparaissent et des grands tourbillons se forment de manière aléatoire, comparables aux cyclones dans l'atmosphère terrestre. Les bulles de savon présentent en effet des analogies de courbure et d…

Bulle de savon soumise à un gradient de température entre l'équateur et le pôle. Un tourbillon unique est visible proche du sommet. Les panaches dus à la convection sont visibles dans la région proche de l'équateur. Des chercheurs ont découvert que des tourbillons créés dans des bulles de savon se comportent comme de vrais cyclones ou ouragans dans l'atmosphère. La bulle de savon est un modèle idéal pour étudier l'atmosphère car elle possède des propriétés physiques analogues : couche très fine…

Image de mécanique des fluides numérique. Couche de mélange bidimensionnelle en développement spatial, visualisée par technique de colorant numérique.

Modélisation de la réflexion et de l'interaction des vagues, dans un grand canal hydraulique. Cette expérience porte sur la dynamique littorale. L'échelle est de l'ordre de 1/10e (voire 1/100e selon les conditions considérées) par rapport au littoral naturel.

Simulation de crue exceptionnelle sur une canopée urbaine dans un canal hydraulique. Cette canopée de type "urbain" modélise un regroupement d'habitations, chaque cube noir représentant un bâtiment. Ce grand canal hydraulique mesure 26 m de long, 1,10 m de large et 0,50 m de haut. Le débit peut varier d'environ 1 L/s à 140 L/s (litres/seconde). Cinq grilles présentes à l'entrée du canal permettent de tranquilliser l'écoulement et d'avoir le maximum de contrôle sur la turbulence de l'écoulement…

Vue d'ensemble du pilote inondation de l'IMFS (Institut de mécanique des fluides et des solides). Ce pilote représente un quartier urbain virtuel et doit permettre d'étudier la répartition des débits entre les différents axes urbains lors d'une crue exceptionnelle. Il mesure 5 m x 5 m et inclut 14 rues, pouvant être alimentées de manière indépendante, afin de tester le plus grand nombre de configurations possibles.

Simulation de la submersion d'un quartier de la commune de la Faute-sur-Mer, en Vendée, l'une des communes submergées lors de la tempête Xynthia en février 2010, après rupture des digues. Ce niveau de la mer est atteint tous les 20 ans environ. Cette simulation a été réalisée en juin 2010 grâce un scanner laser aéroporté (Lidar) qui a permis d'obtenir une topographie très précise du secteur. Sur la carte, toutes les habitations, digues et arbres ainsi que de multiples petits détails sont…

Champ de vorticité de la circulation superficielle dans l'océan Atlantique Nord reproduite numériquement dans le cadre du Programme SIMAN (simulations des circulations océaniques dans l'Atlantique Nord) grâce aux données des satellites Geosat et Topex-Poseidon. Topex-Poséidon utilise des systèmes avancés d'altimétrie radra qui permettent d'effectuer des mesures précises et répétitives du niveau des océans, afin d'établir des cartes de topographie dynamique.

Comment expliquer que de petites planètes telluriques, comme Mercure ou Ganymède, un satellite naturel de Jupiter, aient un champ magnétique ? Grâce à de la neige de flocons de fer. Chutant depuis la périphérie vers le centre du noyau liquide de ces astres, elle provoquerait des turbulences potentiellement à l’origine d’un champ magnétique. Pour éprouver ce phénomène des intérieurs planétaires, les scientifiques ont modélisé dans une cuve stratifiée en eau salée la neige de fer par des billes…

Comment expliquer que des petites planètes telluriques aient un champ magnétique ? Les scientifiques tiennent un suspect : la neige de fer. Pour modéliser le phénomène selon lequel du fer solide s’écoulerait vers le centre du noyau liquide de ces planètes, ils ont étudié la chute de billes dans de l’eau. Verdict : cela provoquerait bien des turbulences potentiellement à l’origine d’un champ magnétique ! Cette image fait partie des lauréats du concours Mécapixel 2021.

Reproduction à l’échelle 1/20000 d’un sous-sol géologique typique du Golfe du Mexique ou de la Mer de Barents, composé d’un dôme de sel (ici en cristal) recouvert de couches sédimentaires (ici en résines variablement chargées en poudre d’alumine) reposant sur un substrat rocheux (ici une plaque d’aluminium). Cette configuration reste un défi pour l’imagerie sismique, du fait notamment du fort contraste entre les propriétés physiques du dôme et celles des milieux environnants. Sièges potentiels…

Plan d'eau d'altitude identifié par les scientifiques sur la partie la plus élevée de leur parcours dans le bassin versant de Miellajokka, dans la base de recherche scientifique d'Abisko, au nord de la Suède. Ils ont sillonné les bassins versants de Miellajokka et Stordalen afin de cartographier leur végétation et de prélever de la sphaigne dans les tourbières de ce dernier pour étudier ses propriétés thermo-hydrologiques. Dans le cadre du projet ANR Hiperborea, ils utilisent des technologies…

Simulation numérique à très-haute résolution horizontale (2 km), mettant en évidence les structures à sub-mésoéchelle (lobes et filaments) de la distribution de phytoplancton, dans un modèle idéalisé de l'océan Atlantique Nord. Le but de la recherche est de comprendre en quoi, la circulation océanique, et en particulier les filaments de sub-mésoéchelle (de 1 à 10 km de large) issus de la turbulence, impactent la croissance, la distribution et le devenir du phytoplancton. L'objectif à long terme…

Cette expérience analogique montre une coupe du milieu souterrain typique des milieux sédimentaires. Des injections de traceurs dans les puits matérialisent les écoulements et permettent d'expliquer l'existence des sources et de puits artésiens dans les milieux naturels. A partir de l'état d'écoulement libre de la nappe, on montre les effets anthropiques sur les eaux souterraines. L'injection d'un polluant par un puits permet de suivre sa dispersion dans le milieu et introduit aux problèmes de…

Essai de compression d’une structure maçonnée modèle en forme d’arche. Le dispositif expérimental associe une machine permettant la compression de l’arche et un scanner. A chaque pas de chargement, une image est prise par le scanner. Ensuite, un algorithme de corrélation d’images numériques est utilisé pour suivre l’évolution des champs de déplacement puis de déformation de chaque brique de l'arche. L’objectif est de réaliser des expériences permettant de valider les codes de calculs développés…

Fermeture du bouchon de chargement de l'enceinte de confinement de la presse expérimentale triaxiale GIGA. Cette machine d'essais, est utilisée pour créer des sollicitations extrêmes sur des structures en béton et en géomatériaux. L'effort axial maximum est de 13 000 kN (kilonewton) et le confinement latéral maximum de 1 gigapascal. L'échantillon cylindrique de béton (d=7 cm, h=14 cm) est équipé des jauges d'extensométrie (jauges de déformations). L'objectif des expérimentations est de…

Les rotors sont utilisés pour de nombreuses applications afin d’échanger de l’énergie entre un système mécanique (véhicule, turbine) et le fluide environnant (comme l’air ou l’eau). Cette image illustre les déformations extrêmes d’un petit rotor équipé de deux pales flexibles de polyéthylène lors de son fonctionnement dans de l’eau. Selon sa fréquence de rotation, la vitesse de l’écoulement incident et l’inclinaison des pales, des déformations de grande amplitude peuvent ainsi apparaître, dans…

Au décollage d’un lanceur spatial, la déflagration est si intense que les ondes sonores générées peuvent endommager la structure du lanceur et le matériel qu’il transporte. Sur cette image, obtenue grâce à des simulations numériques, les scientifiques sont parvenus à reproduire fidèlement les mécanismes à l’oeuvre lors de cette assourdissante vague acoustique. Représentés en orange sur l’image, on visualise les jets de gaz chauds, expulsés à l’allumage des moteurs. C’est à intérieur de ces jets…

Dispositif de mesure de la topographie tridimensionnelle des surfaces : interféromètre en lumière blanche. Au laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes, les chercheurs procèdent à des mesures de rugosité de semelles de ski. Car une semelle de ski n'est pas lisse, au contraire, elle est couverte de micro et macrorugosités.

Coureuse cycliste de l'équipe de France junior réalisant un test chronométré au vélodrome national de Saint-Quentin-en-Yvelines. La position adoptée doit permettre de réduire la traînée aérodynamique, en prenant en compte les contraintes réglementaires (dimensions du vélo) et celles pour produire la puissance musculaire. Il est généralement connu que l’abaissement du buste réduit la traînée aérodynamique. Cependant, un conflit avec la production de puissance des membres inférieurs naît à partir…

Image de la numérisation 3D d'un cycliste en position "contre-la-montre" avec un scanner portatif Faro Freestyle 3D. Après la capture des données, l’image est reconstituée grâce au logiciel Geomagic®. Les chercheurs du Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes du CNRS (LAAS) réalisent des tests comparatifs entre 2 types de scanners commerciaux (Cobalt et Freestyle). Ces tests sont destinés à améliorer les gestes de l’athlète pendant l’entraînement et en compétition. Ici la position…

Cycliste sur un vélo d'entraînement dans le cadre d'une étude biomécanique de son mouvement. Il a été équipé de capteurs électromyographiques et de marqueurs réfléchissants. Les premiers enregistrent l’activité neuromusculaire (les contractions musculaires causées par les commandes électriques du système nerveux central), afin de comprendre la coordination musculaire nécessaire au mouvement, orchestrée par le névraxe. Les marqueurs sont utilisés pour la capture optique du mouvement (motion…

Visualisation, en temps réel, des mesures prises sur un cycliste dans le cadre d'une étude biomécanique de son mouvement. A gauche, la description cinématique du mouvement (le patron). Les points correspondent aux marqueurs réfléchissants placés sur les articulations du cycliste. Des caméras captent le rayonnement qu'ils leur renvoient, et suivent ainsi la trajectoire des marqueurs. A droite, les données de vitesse de pédalage (créneaux verts) et les données d'activation musculaire issues de…

Sportif courant sur un tapis roulant avec chambre à air antigravité lors d'une étude biomécanique sur l’adaptation de l'orchestration musculaire de la course à pied en condition de simulation hypogravitaire, comparable à la gravité sur Mars ou la Lune. En abaissant la pression dans cette chambre, on simule un état de gravité réduit, diminuant ainsi le poids du participant. Des capteurs électromyographiques couplés à des centrales inertielles ont été posés sur les muscles sollicités, pour…

Enregistrement des mouvements et forces générés par la pratique de l’aviron. Le participant est équipé de marqueurs réfléchissants, de centrales inertielles et de capteurs électromyographiques, renseignant les systèmes de mesure informatisés Qualisys (mouvements des segments) et Delsys (activité électrique des muscles et données inertielles). Un ergomètre, qui permet de reproduire les mouvements de l'aviron, est muni de capteurs de force sur le siège, la poignée et les pieds. L’objectif de…

Simulation numérique dynamique du comportement biomécanique du pied humain. Visualisation des contraintes internes, des contraintes planes pour les ligaments et de la pression plantaire, lors d'une séquence de marche. L'objectif de ces recherches est de mieux comprendre la répartition des efforts (forces d'impact, forces musculaires) dans le pied lors des mouvements quotidiens (marche, course), afin de réduire les traumatismes potentiels. Ces résultats de simulation sont obtenus en utilisant un…

Voici une colonie de cellules de rein, cantonnée à une surface parfaitement définie de 365 micromètres. Elle est observée en microscopie confocale à fluorescence couplée à un marquage des cellules par immunofluorescence. En cyan, le noyau cellulaire, en jaune-orangé, le pourtour des cellules. À l’image des bulles formant une mousse de savon, ces cellules épithéliales ont la particularité d’être solidement assemblées entre elles, formant une barrière de protection entre l’intérieur et l…

Ondulations spontanées de flagelles artificiels obtenus par autoassemblage de filaments d'actine et de myosines (un moteur moléculaire). Des scientifiques ont découvert que, plongés dans un bain de myosines, les filaments d'actine se rapprochent spontanément pour former des faisceaux d'environ 15 micromètres qui ondulent avec une période d'environ 10 secondes. L'image réunit 10 prises de vue de la même structure, à 1,4 seconde d'intervalle, ce qui permet de suivre une période du mouvement…

Plus grosse artère du corps humain, l’aorte n’a pas livré tous ses secrets. Des chercheurs en ont donc fait une réplique grandeur nature, en silicone, qu’ils appellent malicieusement "fantôme d’aorte". Elle est la pièce maîtresse de ce dispositif reproduisant les écoulements sanguins et permettant de les visualiser grâce à un laser vert. Cette image fait partie des lauréats du concours Mécapixel 2021.