Habituellement, les cours de physique en classes scolaires donnent à voir l'étude de sujets très prisés et connus que sont : les animaux, la géologie, la lumière, la thermodynamique, la relativité, la mécanique ou encore les sons et l'électricité. Cependant, certains sujets intriguent tout autant, mais sont bien souvent laissés de côté. Il s'agit dans ces cas-là principalement de la raison suivante : ces sujets sont soient teintés de secteurs encore bien inconnus, ou alors ces secteurs sont estimés trop complexes.
C'est par exemple le cas de l'astronomie et de la découverte de l'Univers dans ses interrogations les plus sombres et inexplorées (les trous noirs, l'énergie sombre…), la structure de l'Univers…
Également, plutôt que de parler de physique du chaos, nous allons enseigner aux enfants principalement la manière dont apparaissent certains phénomènes naturels (orages, tempêtes, éruptions volcaniques…) sans trop rentrer dans les détails qui font peur, à savoir, l'inconnu et le désordre du chaos atmosphérique. Cependant, tous ces secteurs méritent des réponses et Superprof se fait aujourd'hui le porte-parole de ces sujets tout autant intéressants !
La physique des fluides : les fluides newtoniens et les fluides non-newtoniens
En physique, les fluides non-newtoniens ne sont pas au cœur des cours de physique dans le primaire ou dans le secondaire. Ou alors, s'ils le sont parfois selon les professeurs tentant de les insérer au programme, ils ne sont pas expliqués dans le détail. Et pourtant, tout fluide autour de nous peut être catégorisé selon qu'il appartient aux fluides newtoniens ou non-newtoniens. Tous les fluides appartiennent nécessairement à l'une ou l'autre catégorie !
Un fluide est un liquide ou un gaz. On appelle les gaz ou liquides newtoniens tous les fluides ne changeant pas de degré de viscosité, peu importe les contraintes subies par ce fluide. L'eau est le fluide newtonien le plus parfait et le plus souvent utilisé en exemple de physique : peu importe qu'on la fasse trembler ou qu'on la touille, l'eau liquide reste liquide et sa viscosité, quasi nulle, est donc inchangée.
À l'inverse, tous les autres fluides dont la viscosité change sous contraintes extérieures sont nécessairement des fluides non-newtoniens. Là encore, des sous-catégories apparaissent : les fluides non-newtoniens peuvent être rhéoépaississants, rhéofluidifiants, thixotropes, anti-thixotropes. Les fluides rhéoépaississants ont une tendance à rapidement gagner en viscosité dès la première contrainte exercée, tandis qu'au contraire, les fluides rhéofluidifiants ont une tendance à rapidement perdre en viscosité et donc à devenir presque liquide en cas de contrainte exercée.
En ce qui concerne les fluides non-newtoniens thixotropes, c'est selon la durée de la pression exercée que sa viscosité va changer ou non. Plus l'action exercée est longue, plus le fluide thixotrope va perdre en viscosité et devenir plus liquide. Au bout d'un moment, en relâchement de pression et de force exercée sur lui, le fluide thixotrope regagner sa viscosité originale.
Les fluides anti-thixotrope sont, à l'inverse, comme vous vous en doutez bien, des fluides dont la durée de la force exercée sur eux va augmenter leur viscosité. Le cas le plus parlant à ce sujet est bien la crème liquide. Celle-ci, lorsqu'elle est fouettée en cuisine, devient crème fouettée et donc épaisse.
La physique du chaos : l'impossibilité de prédire les catastrophes naturelles avec précision
Le chaos semble se référer à une certaine partie de l'Univers (à une grande partie, même). Et pourtant, le chaos est partout présent si l'on y pense bien ! Rien que certains phénomènes tels que les rafales de vent, les tremblements de terre ou encore les éruptions volcaniques sont incertains.
Pourquoi ? Parce que certains phénomènes naturels sortent d'une structure géométrique "classique" et sont considérés comme trop dépendants de l'atmosphère pour pouvoir être prévisibles. C'est ainsi que les tornades ou orages, de même que la météo plus globalement, ne peuvent être prédits avec précision au-delà de quelques jours.
Si certains sites sont plus précis et fiables que d'autres, ils sont en général centrés sur un secteur local plus précis, et même à ce stade-ci, rien ne peut être absolument précis. L'atmosphère est naturellement chaotique, ce qui signifie qu'il faudrait des outils qui n'existent pas encore pour se servir des données collectées afin d'en faire quelque chose, étant donné la variabilité intrinsèque de l'atmosphère.
C'est l'effet papillon : l'air modifié par les ailes mêmes d'un papillon retarde ou avance une catastrophe naturelle telle qu'une tornade ou une tempête !
Étudier la structure de l'Univers
L'Univers dispose encore de tant d'éléments que l'on est incapable de nommer et d'assimiler avec exactitude. Cependant, nous savons que sa structure est constituée à 4% de matière baryonique, et donc, de manière dite "ordinaire". Ce qui est finalement… très peu. Nous connaissons en tout cas, avec l'avancée technologique de ces dernières décennies, la structure des planètes de notre galaxie, la Voie Lactée, ainsi que la structure du système solaire.
La Voie Lactée, comme toute galaxie d'ailleurs, dispose de plusieurs planètes et étoiles, mais aussi de nébuleuses, de trous noirs… L'Univers regorge d'amas de galaxies, composés d'un grand nombre de galaxies donc. Mais il faut également souligner le fait que l'Univers est également composé d'énormément de vide. De vide, oui, vous avez bien entendu !
Dans la très grande majorité des cas, toutes les galaxies possèdent en leur centre ce que l'on appelle un noyau, un "trou noir supermassif", autour duquel se trouvent les étoiles, la poussière, la matière noire ainsi que le gaz et autre. Tous ces éléments composent chaque galaxie sous la loi de la relativité énoncée par le célèbre Isaac Newton. Une pomme tombant au sol, ça vous rappelle quelque chose ?
Les galaxies sont de tailles et de formes très variées dans l'ensemble de l'Univers, ce qui peut se constater à notre petite échelle en observant la taille de notre galaxie, la Voie Lactée, en comparaison avec celle de la galaxie la plus proche, Andromède. Le nombre d'étoiles des galaxies n'est absolument pas le même.
Qu'en est-il de la géométrie de l'espace ?
Si on a pu parler de chaos et de vide dans l'Univers, cependant, il faut dire que tout n'est pas que chaos et vide, bien au contraire ! Disons plutôt qu'une grande partie du vide est en fait bien ordonnée. On a longtemps pensé que le désordre régnait dans l'Univers, et que les galaxies étaient agencées de manière étrange, sans réel sens. Comme si elles se trouvaient à des points de coordonnées sans que cela ait été dicté par des lois quelconques…
Or, de même que la Nature fait, dit-on bien les choses ici-bas sur Terre, il en est de même dans l'Univers. En réalité, les galaxies ne sont pas agencées de manière étrange ni désordonnée. Il y a des raisons à tout, semble-t-il ! L'atmosphère a beau être de nature chaotique, tout a une utilité et une raison. On peut également tout observer de manière purement géométrique. L'évolution de l'Univers elle-même est géométrique, dans le sens où il s'agit d'une structure que l'on estime être en expansion (peut-être même en expansion perpétuelle).
Les formes géométriques des galaxies elles-mêmes varient beaucoup, mais nous sommes capables de les catégoriser en plusieurs types : les galaxies en spirale, les galaxies lenticulaires, elliptiques et irrégulières principalement. Il faut savoir que des sous-catégories existent également, les galaxies en spirales pouvant être "barrées" ou "non barrées" par exemple… Notre galaxie, la Voie Lactée, est justement l'une de ces galaxies barrées.
Les mystères encore inconnus de l'Univers : l'énergie sombre et la matière noire
L'un des éléments dont on parle le moins en cours de physique en deçà du niveau de l'enseignement supérieur est l'énergie noire ainsi que la matière noire. Il s'agit de deux éléments composant l'Univers et auxquels on a donné un nom signifiant que cela demeure encore totalement inconnu pour l'être humain. Nous avons nommé "énergie noire" la force mystérieuse qui semble pousser l'Univers vers une expansion rapide, force supérieure à la gravité donc…
La matière noire est quant à elle la matière inconnue qui, dans l'Univers, semble ne pas réagir aux photons ni aux ondes. On a ainsi tant de mal à la percevoir qu'il n'est possible d'estimer sa masse que par la gravité qu'elle exerce. On l'appelle ainsi "matière noire" car il s'agit de matière, mais que l'on ne parvient absolument pas à déterminer ! Il faut tout de même dire qu'il s'agit d'une matière non-ordinaire, donc, qui représente environ 25% de la totalité des composants de l'Univers.
L'énergie noire, la matière noire ainsi que les trous noirs délimitent finalement notre connaissance relative concernant l'Univers. Et quand l'on regarde les choses, on s'aperçoit que parmi les 4% de matière baryonique connue à ce jour, seul un quart de celle-ci est réellement perceptible… Finalement, notre connaissance réelle se limite à 1% ! Les scientifiques peuvent toutefois en être ravis, car cela signifie que tant de choses sont encore à découvrir. D'ailleurs, vous, lecteur ou lectrice, ne sentez-vous pas un vent de curiosité vous effleurer le visage ?
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