tag:theconversation.com,2011:/institutions/ece-paris-3089/articlesECE Paris2024-03-27T16:48:28Ztag:theconversation.com,2011:article/2211522024-03-27T16:48:28Z2024-03-27T16:48:28ZMieux comprendre les maladies cardio-neurovasculaires avec l’hémodynamique<p>Première cause de décès dans le monde, les maladies cardio-neurovasculaires représentent l’ensemble des troubles affectant le cœur et les vaisseaux sanguins. En France, elles sont la deuxième cause de décès après les <a href="https://theconversation.com/fr/topics/cancer-20834">cancers</a>, en étant responsables de plus de 140 000 morts chaque année. </p>
<p>Elles causent un nombre important de maladies et de décès précoces, d’hospitalisation, et de handicap acquis. Jusqu’à 50 000 personnes font un arrêt cardiaque soudain chaque année, dont environ 5 % survivent. En 2021, <a href="https://sante.gouv.fr/soins-et-maladies/maladies/maladies-cardiovasculaires/article/maladies-cardiovasculaires">5,3 millions de personnes étaient traitées pour une maladie cardio-neurovasculaire</a>, dont plus de 443 000 pour maladie aiguë. Parmi ces maladies, la cardiopathie coronarienne désigne un dysfonctionnement du cœur provoqué par le rétrécissement ou l’obturation des artères qui le nourrissent (les artères coronaires, qui dessinent une couronne autour du muscle cardiaque).</p>
<p>La physique peut s’avérer forte utile pour comprendre les aspects physiologiques et cliniques (en complément de l’angiologie). L’hémodynamique (ou « dynamique du sang »), du grec haima, « le sang » et dunamis, dunamikos, « la force », est la science des propriétés physiques de la circulation sanguine en mouvement dans le système cardio-vasculaire.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/584793/original/file-20240327-28-z6uu31.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/584793/original/file-20240327-28-z6uu31.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=267&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/584793/original/file-20240327-28-z6uu31.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=267&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/584793/original/file-20240327-28-z6uu31.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=267&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/584793/original/file-20240327-28-z6uu31.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=336&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/584793/original/file-20240327-28-z6uu31.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=336&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/584793/original/file-20240327-28-z6uu31.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=336&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Harvey, Bernoulli et Poiseuille.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Wikimedia</span>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span>
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<p>Les pionniers de cette discipline sont d’abord médecins avant d’être physiciens. Daniel Bernoulli, médecin de formation, a écrit son Traité <em>Hydrodynamica</em> après ses réflexions sur le mouvement du sang dans les veines et sur la pression artérielle. La double formation en médecine et en physique de Poiseuille lui fait écrire Le Mouvement des liquides dans les tubes de petits diamètres.</p>
<p>Dans l’ouvrage <em>De Motu Cordis</em>, <a href="https://www.reseau-canope.fr/corpus/video/harvey-et-la-circulation-sanguine-140.html">Harvey</a> fait la première description complète du système circulatoire. Il décrit notamment le sens de circulation et le rôle exact des valvules veineuses. On sait aujourd’hui que le système circulatoire est constitué de pompes de différentes natures (cardiaque, musculaire veineuse, abdomino-thoracique) et de conduits en forme de tubes (les vaisseaux sanguins). Les pompes font circuler le sang depuis les artères jusqu’à la microcirculation créant un <a href="https://www.reseau-canope.fr/corpus/video/coeur-et-vaisseaux-50.html">système de circulation aller et retour</a> à sens unique.</p>
<p>Au premier abord, la discipline sous-jacente de l’hémodynamique est la mécanique des fluides et plus précisément la rhéologie : la science qui étudie la déformation des écoulements sous l’effet d’une contrainte appliquée.</p>
<p>Le sang est une suspension liquide de « particules » (globules rouges, blancs, plasmocytes…) dans le plasma, c’est-à-dire un mélange hétérogène de particules solides dans un liquide. L’existence d’une phase « solide » et d’une phase « liquide » rend complexe la définition d’un modèle physique réaliste pour le décrire. Le sang est un fluide non newtonien c’est-à-dire que sa viscosité n’est pas indépendante de la contrainte. Dans les fluides non newtoniens, la viscosité peut changer lorsqu’elle est soumise à une force pour devenir plus liquide ou plus solide.</p>
<h2>Mieux comprendre l’hypertension ou les anévrismes</h2>
<p><a href="https://lejournal.cnrs.fr/articles/du-coeur-aux-poumons-lincroyable-mecanique-des-fluides-humains">L’hémodynamique permet une compréhension</a> et caractérisation de maladies comme l’hypertension, l’athérosclérose, les anévrismes cérébraux et les anévrismes de l’aorte.</p>
<p>La modélisation hémodynamique permet la conception de dispositifs médicaux implantables utilisés dans le traitement de ces maladies (organes artificiels, tubes, et cathéters, implants vasculaires)</p>
<p>On peut réaliser des modèles numériques de biomécanique de la circulation sanguine. Citons par exemple des <a href="https://www.m2p2.fr/actualites-298/actualites-du-laboratoire-de-recherche-m2p2-456/le-m2p2-developpe-un-projet-pluridisciplinaire-et-multi-partenaires-mettant-la-modelisation-mathematique-des-fluides-au-service-de-la-medecine-cardiaque-21717.htm">modèles physique et mathématique de valve aortique</a>.</p>
<p>Des chercheurs de l’EPFL ont développé un <a href="https://www.swissinfo.ch/fre/toute-l-actu-en-bref/epfl--une-simulation-virtuelle-du-coeur-pour-un-meilleur-diagnostic/43240632">modèle de « cœur »</a> sur ordinateur susceptible un jour d’aider les médecins à mieux diagnostiquer ou prévenir les maladies cardiaques.</p>
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<iframe width="440" height="260" src="https://www.youtube.com/embed/giKf4AjRndg?wmode=transparent&start=0" frameborder="0" allowfullscreen=""></iframe>
<figcaption><span class="caption">La simulation numérique pour les écoulements sanguins/Université de Montpellier.</span></figcaption>
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<p>En réalité, l’utilisation des paramètres hémodynamique est quotidienne en médecine : on surveille la pression artérielle, la fréquence cardiaque, ou, plus spécifiquement notamment en soins intensifs le débit cardiaque, les pressions de remplissage du cœur gauche. Concrètement, lorsqu’on mesure sa tension artérielle, on réalise en fait une expérience d’hémodynamique. Parmi les paramètres essentiels dont dépend l’hémodynamique, on peut mentionner l’énergie cardiaque, le volume sanguin, la respiration, le diamètre des vaisseaux et leur résistance, et la viscosité sanguine.</p>
<p>Le cœur, en jouant le rôle de pompe circulatoire de l’organisme doit assurer un débit cardiaque minimal pour le bon fonctionnement des organes. Il s’adapte également à tout effort physique ou situation de maladie. La fonction cardiaque est en harmonie avec les fonctions vasculaires, qui, plus que de simples tuyaux, régulent la pression sanguine via une réduction ou une augmentation de leur diamètre, phénomènes appelés vasoconstriction et vasorelaxation.</p>
<p>L’évaluation des paramètres hémodynamique est nécessaire au cours de l’évaluation d’un patient. C’est le quotidien du médecin vasculaire, qui doit évaluer la bonne perfusion des organes, la recherche de sténoses (rétrécissement du calibre artériel) ou d’occlusions d’artères. Un des principaux examens d’évaluation est l’échographie Doppler vasculaire. Cet examen permet de visualiser les artères en échographie et utilise <a href="https://www.youtube.com/watch?v=vKOc3jM7ZB8">l’écho Doppler</a> pour évaluer les vitesses d’écoulement sanguin. Ces données combinées sont essentielles pour comprendre l’hémodynamique artérielle locale. Par exemple, une sténose va se caractériser par une accélération locale des vitesses circulatoires et un ralentissement en aval de la sténose.</p>
<p>Précisément, les contraintes de cisaillement pariétal dans le contexte des vaisseaux sanguins, tels que les artères, représentent les forces de frottement exercées par le sang sur la paroi interne des vaisseaux. Cette contrainte est générée par le flux sanguin qui circule à travers les vaisseaux. Elle est déterminée par la viscosité du sang et la vitesse du flux sanguin. Une des thématiques de recherche actuelle en imagerie menée dans le service de médecine vasculaire à l’hôpital européen Georges Pompidou (APHP, Paris) est de développer une mesure fiable de ces contraintes. Ces mesures pourraient nous aider à mieux caractériser le profil de risque des plaques d’athérosclérose car on sait que les contraintes de flux exercées sur ces plaques jouent un rôle dans le processus de rupture de plaque, à l’origine de la plupart des infarctus du myocarde et des accidents vasculaires cérébraux.</p>
<p>En conclusion, l’étude de l’hémodynamique est ancienne et toujours en amélioration via de nouvelles techniques d’exploration. Les avancées technologiques nous permettent un regard toujours renouvelé dans la compréhension des mécanismes physiologiques et pathologiques de la circulation sanguine.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/221152/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.</span></em></p>L'hémodynamique est la science des propriétés physiques de la circulation sanguine. Il est très important de l'étudier pour comprendre les maladies cardio-neurovasculaires.Waleed Mouhali, Enseignant-chercheur en Physique, ECE ParisGuillaume Goudot, Maître de conférence universitaire - Praticien Hospitalier, Université Paris CitéLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/2238832024-03-04T17:01:32Z2024-03-04T17:01:32ZPourra-t-on imprimer en 3D de la peau pour soigner les grands brûlés ?<p>En France, chaque année, <a href="https://crh.cgos.info/informations/les-soins-aux-grands-brules-une-prise-en-charge-multidisciplinaire-en-france">plus de 400 000 personnes se brûlent</a> et pour 9 000 d’entre elles, ces brûlures sont graves. Quelle que soit la cause (un liquide ou un objet chaud, électricité, flammes, produits chimiques ou encore exposition aux rayons UV), ces brûlures entraînent une lésion importante de la barrière cutanée, rendant les grands brûlés particulièrement sensibles aux infections.</p>
<p>En effet, la peau, organe le plus étendu du corps humain, est aussi la première ligne de défense contre les bactéries et virus. Le tissu cutané est composé de trois couches : l’épiderme, le derme et l’hypoderme (de l’extérieur vers l’intérieur de notre corps). L’épiderme, constitué de plusieurs couches de kératinocytes (cellules de peau), constitue l’enveloppe externe de la peau. C’est une couche en renouvellement permanent qui constitue le premier rempart contre les agressions extérieures : on parle de barrière cutanée. Le derme, quant à lui, est un tissu vascularisé qui confère résistance et élasticité à la peau via les fibres de collagène et d’élastine, fabriquées par des cellules appelées fibroblastes.</p>
<p>Dans le cas des grands brûlés, la perte de la barrière cutanée entraîne une perte de liquide et de chaleur ainsi qu’un risque d’infection plus important.</p>
<p>Le traitement traditionnel des brûlures profondes consiste à les recouvrir avec une peau saine prélevée sur une autre partie du corps : c’est l’autogreffe. Cette intervention ne pose pas de difficulté technique particulière, cependant, dans le cas de brûlures très étendues sur le corps, le problème vient du fait qu’il n’y a pas suffisamment de peau saine à prélever pour recouvrir l’ensemble des zones brûlées.</p>
<h2>Fabriquer de la peau en laboratoire</h2>
<p>Les chercheurs se sont donc tournés vers l’ingénierie tissulaire pour fabriquer du tissu cutané en laboratoire. La technique d’ingénierie tissulaire classique repose sur la croissance in vitro de cellules associées à un échafaudage (matériau poreux biocompatible). Pour faire simple, des cellules saines sont prélevées chez le patient puis mises en culture et en multiplication afin d’en obtenir un nombre suffisant pour l’ensemencement sur l’échafaudage. Enfin, les cellules ensemencées sont mises à maturer <a href="https://www.biotechrep.ir/article_68655_2898e38db1045ade18e39d8641fa35c3.pdf">jusqu’à formation du tissu biologique</a>.</p>
<p>Cette technique peut, néanmoins, présenter des limitations car la distribution spatiale des cellules ensemencées reste difficile à contrôler, notamment lorsque plusieurs types cellulaires sont utilisés dans une même structure.</p>
<p>En réaction, depuis plusieurs années, la <a href="https://link.springer.com/article/10.1007/s10853-019-04259-0">bioimpression</a> apparaît comme une nouvelle technique d’ingénierie tissulaire permettant de produire des tissus biologiques de manière plus précise (donc des tissus plus fonctionnels), reproductible et automatisée.</p>
<h2>La bioimpression 3D</h2>
<p>En effet, grâce à la bio-impression 3D, des chercheurs ont pu créer des structures de peau en trois dimensions par remplissage, couche par couche, d’une encre biologique contenant des cellules de peau humaine (kératinocytes et fibroblastes) suspendues dans un gel.</p>
<p>En réalité, la bio-impression 3D diffère peu de l’impression 3D ou fabrication additive utilisée dans le secteur de l’industrie par exemple. Sa spécificité vient du fait que les bio-imprimantes appliquent des couches de biomatériaux (la bio-encre), qui peuvent contenir des cellules vivantes, pour créer des structures complexes telles que des tissus de la peau.</p>
<p>Dans le cas des grands brûlés, l’objectif est d’utiliser des cellules du patient afin d’éviter tout potentiel rejet de greffe.</p>
<p>La bio-encre se compose de deux parties distinctes : une matrice et les cellules d’intérêts prélevées chez le patient. La matrice doit permettre aux cellules de vivre, se développer et s’organiser. Elle est en général composée d’hydrogels biocompatibles comme l’alginate (polymère issu des algues brunes), la gélatine et la fibrine (protéines) ou encore le collagène (protéine qui favorise l’adhésion cellulaire). Les cellules d’intérêt, fibroblastes et kératinocytes, sont quant à elles isolées à partir d’une biopsie d’un tissu sain du patient.</p>
<p>Une fois la bio-encre formulée, la fabrication de peau par bio-impression 3D nécessite différentes étapes que sont la conception assistée par ordinateur (CAO) de l’architecture du tissu à imprimer et la bio-impression en elle-même. Lors de l’étape de conceptualisation, la CAO, il faut définir l’organisation spatiale de l’ensemble des constituants des tissus (en s’inspirant de l’organisation du tissu observé par imagerie par exemple) et les paramètres d’impression des bio-encres (hauteur des couches de biomatériaux, vitesse d’impression…).</p>
<p>Vient ensuite l’étape d’impression automatisée de la peau par l’imprimante qui diffère selon la technologie utilisée. Il existe trois technologies principales : l’impression par laser, la technique de la microextrusion et la technologie jet d’encre, chacune ayant des avantages et des inconvénients.</p>
<p>La technique du jet d’encre est fortement inspirée de l’impression 2D sur papier. Le principe repose sur l’éjection de microgoutelettes de bio-encre grâce à un procédé thermique ou piézoélectrique. Dans le premier cas, une impulsion thermique entraîne la formation d’une poche de vapeur qui engendre l’éjection de gouttelettes d’encre par pression. Dans le second procédé, une tension appliquée à un cristal piézoélectrique entraîne une déformation mécanique qui va comprimer le réservoir d’encre et permettre l’éjection de gouttelettes.</p>
<p>La technique de microextrusion utilise deux têtes d’impression (microseringues), l’une dépose des couches d’un hydrogel et l’autre des cellules, en alternance. Ces constituants sont poussés mécaniquement à travers les seringues à l’image de la gouache sortant de son tube.</p>
<p>Enfin, l’impression laser est la plus récente. Cette fois, l’encre est étalée sur une lamelle de verre. Un laser vient frapper celle-ci et émettre des impulsions (de l’ordre de la nanoseconde) qui, absorbées par l’encre, permettent de détacher des microgoutelettes. Cette technologie est très précise car elle permet de contrôler le placement de la goutte à l’échelle de la cellule. De plus, elle offre la meilleure viabilité pour les cellules (95 % environ).</p>
<h2>Vers une utilisation à l’hôpital ?</h2>
<p>Suite à l’impression, le tissu imprimé est soumis à une phase de maturation où le tissu évolue tout seul dans un milieu de culture. Cette phase permet aux cellules de s’auto-organiser jusqu’à faire émerger des fonctions biologiques spécifiques en vue d’une greffe. En fait, l’étape de maturation a pour objectif de transformer un tissu vivant passif en un tissu vivant actif.</p>
<p>Cette étape de maturation est réglementée par le statut de médicament de thérapie innovante qui est contraignant.</p>
<p>Finalement, une fois la peau obtenue, il reste à la greffer sur le patient… Ce rêve n’est plus très loin. En effet, la société Poietis, spécialiste français de la bio-impression 3D par laser a installé fin 2021 la <a href="https://poietis.com/poietis-and-assistance-publique-hopitaux-de-marseille-ap-hm-annouce-the-first-installation-of-a-3d-bioprinting-platform-for-manufacturing-implantable-biological-tissues-in-hospitals/">première plate-forme de bio-impression 3D</a> pour la fabrication de tissus biologiques implantables à l’Assistance Publique – Hôpitaux de Marseille. Les premiers essais cliniques sont en cours.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/223883/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Coralie Thieulin ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>La bioimpression de peau est une technique prometteuse qui pourrait aider les grands brûlés qui ne peuvent pas bénéficier d’autogreffe.Coralie Thieulin, Enseignant chercheur en physique à l'ECE, docteure en biophysique, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/2158452023-11-01T17:16:27Z2023-11-01T17:16:27ZLes réseaux électriques de futures générations permettront-ils d’ajuster offre et demande ?<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/554294/original/file-20231017-27-pxpvuv.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C0%2C2397%2C1473&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Un réseau électrique intelligent articule infrastructures traditionnelles et télécommunications.
</span> <span class="attribution"><span class="source">Pok Rie / Pexels</span>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">CC BY-SA</a></span></figcaption></figure><p>Le <a href="https://theconversation.com/topics/electricite-23762">secteur électrique</a> constitue un des secteurs énergétiques les plus polluants, responsable de <a href="https://www.planete-energies.com/fr/media/article/production-delectricite-ses-emissions-co2#:%7E:text=Electricit%C3%A9%20et%20gaz%20%C3%A0%20effet,une%20centrale%20au%20gaz3.">42,5 % des émissions mondiales de CO₂</a>. S’il doit travailler à devenir plus propre et à faire face à la précarité énergétique, il se voit également confronté à de nouvelles contraintes, telles qu’une demande croissante, particulièrement en période de pointe, mais aussi en raison de nouveaux usages comme les véhicules électriques. Il lui faut aussi composer avec le vieillissement des infrastructures des réseaux.</p>
<p>Les acteurs du secteur se tournent donc désormais vers le déploiement des <a href="https://theconversation.com/topics/energies-renouvelables-22981">ressources renouvelables</a>. Néanmoins, certains inconvénients inhérents à ces ressources, comme leur <a href="https://www.lemonde.fr/idees/article/2021/11/24/si-les-energies-renouvelables-intermittentes-etaient-soumises-aux-lois-du-marche-ni-eoliennes-ni-centrales-solaires-ne-verraient-le-jour_6103382_3232.html">caractère intermittent</a> et les problématiques d’occupation spatiale, requièrent le développement d’un mécanisme efficace de gestion de l’énergie. De <a href="https://www.revolution-energetique.com/voici-la-carte-des-6-futurs-reacteurs-nucleaires-epr-prevus-en-france/">nouveaux réacteurs nucléaires EPR</a> doivent également sortir de terre en France pour renouveler le parc existant mais, hormis Flamanville sur le Cotentin, ne sont pas attendus avant 2035. C’est pourquoi les ingénieurs travaillent d’autre part à développer des technologies de pointe pour rendre la demande d’électricité plus flexible.</p>
<p>Actuellement, la demande en électricité est considérée comme <a href="https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/tarification-de-lelectricite">aléatoire</a> : c’est à l’offre de s’adapter pour trouver un équilibre. Dans le réseau de demain, l’intermittence des énergies renouvelables déplacera vraisemblablement le caractère aléatoire de la consommation vers la production. La demande devra donc être flexible et maitrisée grâce à des programmes de gestion spécifiques.</p>
<p>En remodelant la demande, le parc de production pourrait être géré efficacement, et les coûts lissés. En outre, le dimensionnement du parc s’ajustant à la demande maximale d’électricité, la capacité totale et le coût d’investissement seront atténués en réduisant cette demande maximale.</p>
<h2>Lisser les pics</h2>
<p>Des <a href="https://pastel.hal.science/pastel-00959266">recherches</a> ont montré que les programmes de pilotage de demande agissent sur l’allure de la courbe de charge d’électricité de trois manières : en décalant les charges (<em>Load shifting</em>), en écrêtant les pointes (<em>peak clipping</em>) et en remplissant les creux (<em>valley filling</em>). Le déplacement de la demande décale l’usage d’un appareil électrique, c’est-à-dire reporte ou avance une demande d’une tranche horaire à une autre. La réduction du pic de demande électrique est atteinte grâce à la diminution ou la coupure ponctuelle d’un usage électrique. Cette solution réduit la puissance électrique en période de pointe et induit ainsi une baisse de consommation. C’est par exemple inciter les consommateurs à diminuer la température de leur chauffage.</p>
<p>Tandis que ces deux premières techniques visent à égaliser la courbe de charge en s’intéressant aux pics de demande, le « valley filling » s’applique, lui, à augmenter la charge durant les périodes où elle est moins importante. C’est programmer son lave-linge ou son lave-vaisselle en période creuse par exemple.</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"1686465752373612545"}"></div></p>
<p>Il convient de noter que ces programmes énergétiques contribuent aux baisses des pics de consommation. On parle parfois d’« effacement de consommation ». Ils pèsent actuellement pour environ <a href="https://www.eqinov.com/eqilibreblogenergie/appel-offres-effacement-aoe/">3 900 MW mobilisables en France en 2023</a>, encore loin de l’objectif de 6 500 MW inscrit dans la Programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE) à horizon 2028. 6 500 MW, c’est à peu près l’équivalent de ce que peuvent fournir <a href="https://www.edf.fr/la-centrale-nucleaire-de-flamanville-3-epr/les-actualites-de-la-centrale-nucleaire-de-flamanville-3-epr/lepr-de-flamanville-debute-ses-essais-de-requalification-densemble">quatre réacteurs nucléaires de type EPR</a> comme celui actuellement en phase d’essai à Flamanville.</p>
<p>Dans ce contexte, nos <a href="https://ieeexplore.ieee.org/document/8923214">recherches</a> soulèvent deux problématiques inhérentes à la gestion énergétique dans le réseau électrique intelligent. Comment aider le propriétaire d’une maison à prendre une décision d’adhésion à un programme énergétique dans le but de réduire sa consommation énergétique ? Et comment répartir l’énergie d’une manière équitable entre les consommateurs tout en prenant en compte les contraintes d’énergie des sources renouvelables et en répondant aux besoins énergétiques variés des consommateurs ?</p>
<h2>Au carrefour des systèmes électriques et des télécommunications</h2>
<p>Une des pistes pour pouvoir répondre à ces nouvelles problématiques est de développer les technologies de réseaux électriques intelligents de future génération (<em>Next Generation Smart Grids, NGSG</em>). Il s’agit des systèmes énergétiques qui évoluent d’une structure monodirectionnelle des flux énergétiques et informationnels (de la production vers la consommation), à une structure fondée sur des interactions bidirectionnelles.</p>
<p>L’objectif des NGSG est de fusionner les technologies de télécommunication et le système électrique géré par les opérateurs de production énergétique. Il est judicieux de noter qu’ils ne visent pas une conversion radicale des technologies mais une évolution des réseaux actuels dans le but d’assurer une communication entre les différents acteurs.</p>
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<p>Bien que des éléments rendant le réseau intelligent existent déjà, la différence entre les NGSG et les réseaux électriques actuels se situe dans leur <a href="https://ieeexplore.ieee.org/document/6690098">capacité à gérer plus de complexité</a>. En effet, ces réseaux intelligents devraient évoluer pour permettre une gestion en temps réel de la consommation électrique : prédiction, équilibrage de charge, détection, surveillance des pannes et aide à la prise de décision du programme énergétique.</p>
<p>Avec les NGSG, tous les appareils électriques devraient être connectés et contrôlés dans le but de gérer et surveiller la consommation électrique et afin de remonter des informations et recevoir des commandes de contrôle. La prolifération significative d’objets connectés localisés dans les maisons requiert en effet un mécanisme de gestion efficace.</p>
<p>Ce dernier peut prendre appui sur les réseaux mobiles 5G avec notamment la <a href="https://www.redhat.com/fr/topics/hyperconverged-infrastructure/what-is-software-defined-networking">technique SDN</a> (Software Defined Network). Cette dernière s’avère particulièrement prometteuse. Elle prodigue une architecture qui sépare les fonctions de transport des fonctions de contrôle du réseau. Elle fournira ainsi l’équilibrage de charge, le déplacement de charge électrique, l’ajustement dynamique des chemins de routage suite aux commandes de contrôle, la détection rapide des pannes, l’autoréparation et la surveillance et la planification des flux de trafic électriques critiques.</p>
<p>Par ailleurs, les objets connectés dans les NGSG sont capables de générer, collecter et traiter des quantités massives de données. Ces sources de données ouvrent de nouvelles pistes pour concevoir de façon fiable et efficace les réseaux électriques. Les réseaux futurs proposeront en effet l’intégration des techniques d’apprentissage automatique pour le traitement en temps réel des données et la prise de décision du meilleur programme énergétique. Celles-ci seraient puisées tant du côté de l’offre que de la demande.</p>
<p>Dans ce contexte, l’utilisation d’un algorithme d’apprentissage automatique contribuera à l’optimisation de la consommation énergétique. Celui-ci prendra en considération les diverses variables impliquées dans la distribution d’énergie renouvelable et la consommation d’énergie, afin de maximiser l’énergie de production durant les jours nuageux et sans vent. Cet algorithme interprète les fluctuations de la demande et l’évolution des conditions météorologiques afin de prévoir l’énergie demandée, et d’anticiper les problèmes inhérents aux réseaux électriques avec pour objectif de mettre en place des moyens d’amélioration des lignes de distribution.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/215845/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Rola Naja ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>La transition énergétique nécessite des modes de production propre de l’électricité mais aussi de mieux maîtriser la demande.Rola Naja, Enseignante chercheuse dans le domaine de l'informatique et réseaux, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/2090592023-07-18T18:29:58Z2023-07-18T18:29:58ZLe retour douloureux des coups de soleil, et leurs conséquences…<p><em>Les vacances ne se passent pas toujours comme prévu… Dans notre série « Une semaine en enfer ! », nous décryptons ce qui peut aller de travers, depuis le <a href="https://theconversation.com/serie-1-pourquoi-est-on-plus-malade-en-voiture-lorsque-lon-part-en-vacances-208258">mal des transports amplifiés lors des départs en vacances</a> aux piqûres de moustiques désormais capables de transmettre des virus tropicaux, en passant par les <a href="https://theconversation.com/serie-1-des-draps-a-la-telecommande-tele-la-verite-sur-les-microbes-qui-peuplent-les-chambres-dhotel-208329">dangers microbiologiques méconnus des hôtels</a>, les « traditionnels » <a href="https://theconversation.com/le-retour-douloureux-des-coups-de-soleil-et-leurs-consequences-209059">coups de soleil</a>, ou les dangers insoupçonnés… du jardinage, si vous pensiez rester tranquillement chez vous.</em></p>
<hr>
<p>« Au Soleil, [s]’exposer un peu plus au soleil… », comme le dit la chanson de Jennifer… Vous en rêvez depuis des mois. Attention tout de même : votre peau pourrait vous le faire payer cher si vous lézardez trop longtemps. Tendue, écarlate, cuisante – voilà les signes douloureux que vous avez attrapé un coup de soleil !</p>
<p>Il est aujourd’hui largement admis qu’une surexposition au soleil, au-delà des petites <a href="https://theconversation.com/allergies-au-soleil-quelle-s-origine-s-et-comment-reagir-186338">allergies</a> et du fréquent coup de soleil douloureux et inesthétique, peut avoir des conséquences sérieuses sur notre santé à plus ou moins long terme.</p>
<p>Pour mieux cerner ces conséquences, arrêtons-nous un instant sur les deux protagonistes de notre problématique : la peau et les rayons UV du soleil.</p>
<h2>La peau : une barrière mise à rude épreuve…</h2>
<p>On la néglige souvent et, pourtant, la peau est l’organe le plus grand du corps humain et notre meilleur allié pour nous protéger des agressions extérieures.</p>
<p>Elle est composée de trois couches : l’épiderme, le derme et l’hypoderme (de l’extérieur vers l’intérieur de notre corps). L’épiderme, constitué de plusieurs couches de kératinocytes (cellules de peau), est son enveloppe externe. C’est un tissu en renouvellement permanent qui constitue le premier rempart contre les agressions extérieures, comme les radiations UV.</p>
<p>Le derme, quant à lui, est un tissu vascularisé qui confère résistance et élasticité à la peau via les fibres de collagène et d’élastine, fabriquées par des cellules appelées fibroblastes. De plus, des cellules immunitaires sont présentes dans les vaisseaux et assurent une deuxième ligne de défense après l’épiderme.</p>
<p>Malgré cette défense bien organisée, une surexposition au soleil met la peau à rude épreuve.</p>
<h2>Les effets du Soleil…</h2>
<p>La lumière du Soleil contient différents types de rayons ultraviolets (UV) caractérisés par leur longueur d’onde – qui déterminent leur pouvoir de pénétration de la peau (le rayonnement UV pénètre la peau d’autant plus facilement que la longueur d’onde est élevée) : les UV-A, les UV-B et les UV-C (de la plus longue à la plus courte longueur d’onde).</p>
<p>Lorsque ces rayons traversent l’atmosphère, tous les UV-C et la plupart des UV-B sont absorbés par la couche d’ozone. Seuls les UV-A ne sont pas filtrés de manière aussi efficace : ils représentent 95 % des UV qui atteignent la surface terrestre.</p>
<p>Les UVA pénètrent jusqu’au derme. Ils ont un effet à long terme et jouent notamment un rôle majeur dans le vieillissement précoce de la peau et augmentent le risque de cancers cutanés.</p>
<p>Les UVB atteignent l’épiderme et ont pour effet, à court terme, l’apparition de coups de soleil et le bronzage. Néanmoins, l’accumulation de leur action joue un rôle dans le vieillissement cutané précoce et l’apparition de cancers à plus long terme.</p>
<h2>Le coup de Soleil !</h2>
<p>Revenons sur l’une des manifestations les plus précoces d’une surexposition au rayonnement UV : le fameux coup de soleil.</p>
<p>Celui-ci est dû, en grande partie, aux UVB qui endommagent les micro-ARN (molécules issues de la transcription de l’ADN qui interviennent dans la régulation de l’expression des gènes), présents dans les cellules de l’épiderme, les kératinocytes. Le corps réagit en initiant une réaction inflammatoire qui se traduit, notamment, par une augmentation du flux sanguin en direction de la zone abîmée, d’où le rougissement de la peau (érythème).</p>
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<p>Ce processus inflammatoire permet à l’organisme de se débarrasser des cellules dégradées avant qu’elles ne deviennent cancéreuses. Les cellules abîmées se sacrifient pour sauver notre peau (c’est l’apoptose, ou mort cellulaire programmée), et la peau pèle ! Ainsi, le coup de soleil est une réaction de protection à court terme.</p>
<p>On distingue plusieurs degrés de gravité des coups de soleil :</p>
<ul>
<li><p>Le plus léger, c’est le bronzage qui, en soi, constitue déjà une réaction de défense de la peau face à l’agression par les UV.</p></li>
<li><p>Après ce stade, c’est le coup de soleil, une brûlure qui atteint l’épiderme et peut être plus ou moins grave. Une brûlure du premier degré entraîne l’apparition d’un érythème rouge vif et douloureux. Il disparaît au bout de quelques jours et la peau peut desquamer lors de la cicatrisation.</p></li>
<li><p>Lorsque des cloques apparaissent, l’atteinte est plus sévère et l’on parle de brûlure du deuxième degré superficielle. La cicatrisation dure environ deux semaines mais ne laisse aucune séquelle visible.</p></li>
<li><p>Le stade au-dessus correspond à la brûlure du deuxième degré profond. Dans ce cas, plus grave, le derme superficiel est touché (en plus de l’épiderme), des cloques apparaissent et des vaisseaux sanguins sont détruits. Il faut compter plusieurs semaines de guérison et ce type de brûlure laisse des traces.</p></li>
</ul>
<p>Même si la plupart des coups de soleil correspondent à des brûlures du premier degré qui disparaissent en quelques jours, les dégâts eux perdurent ! En effet, quelle que soit leur intensité, les coups de soleil peuvent avoir des conséquences pour notre peau et notre santé à plus long terme…</p>
<h2>Toujours se protéger</h2>
<p>Malheureusement, à long terme, l’exposition aux rayons UV peut entraîner un photo-vieillissement et l’apparition de cancers.</p>
<p>Les effets majeurs du photo-vieillissement se situent au niveau du derme. En effet, les UVA sont responsables de la formation de radicaux libres (molécules très réactives d’oxygène) qui s’attaquent aux fibroblastes, dégradant ainsi la fabrication des fibres de collagène et d’élastine qui donne la résistance et l’élasticité à la peau. C’est ce qu’on appelle le « stress oxydatif », principale cause de vieillissement prématuré : la peau perd en élasticité et des rides plus ou moins profondes apparaissent.</p>
<p>Plus grave encore, en 2009, le <a href="https://www.iarc.who.int/fr/centre-des-medias-nouvelles-du-circ-44/">CIRC a classé les UVA et UVB comme cancérogènes avérés pour l’Homme</a>. En effet, si les kératinocytes endommagés (avec un ADN non réparé) ne sont pas éliminés par apoptose, un cancer cutané peut se développer. On peut distinguer deux types de cancers : les carcinomes cutanés, les plus fréquents, et les <a href="https://theconversation.com/que-savoir-du-melanome-cutane-pour-se-premunir-au-mieux-202657">mélanomes, les plus dangereux</a>.</p>
<p>Alors un seul mot d’ordre : protégez-vous !</p>
<p>En matière de Soleil, mieux vaut prévenir que guérir : utilisez des produits de protection solaire, éviter de vous exposer aux heures les plus chaudes (l’été entre 12h et 16h en France)…</p>
<p>Ces recommandations sont valables pour tous, même pour les personnes à la peau mate, car ne pas attraper de coups de soleil ne prémunit pas du cancer cutané…</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/209059/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Coralie Thieulin ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Un bain de soleil… et vous voilà ébouillanté. Petit rappel sur l’origine de cette rougeur cuisante et ses conséquences à court et long terme. Épargnez-vous bien des soucis et protégez-vous !Coralie Thieulin, Enseignant chercheur en physique à l'ECE, docteure en biophysique, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/2034372023-04-25T22:52:54Z2023-04-25T22:52:54ZL’ouragan hexagonal de Saturne, véritable casse-tête pour les physiciens<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/519812/original/file-20230406-24-fe3gmk.png?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C2%2C1919%2C1045&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Pourquoi n'y a-t-il d'ouragan hexagonal que sur Saturne (à notre connaissance) ?</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.jpl.nasa.gov/images/pia17652-in-full-view-saturns-streaming-hexagon">NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton University</a></span></figcaption></figure><p>Saturne fait partie des planètes gazeuses <a href="https://theconversation.com/nina-est-ce-que-lon-peut-vivre-sur-saturne-172925">parcourues par de fortes tempêtes</a>. Parmi ces tempêtes, « l’hexagone de Saturne » est un motif nuageux hexagonal qui tourne en permanence au-dessus du pôle Nord de la planète Saturne. Les côtés parfaitement rectilignes de l’hexagone mesurent environ 13 800 kilomètres… L’Hexagone est donc un <a href="https://theconversation.com/lire-les-secrets-des-ouragans-depuis-le-ciel-170044">ouragan</a> d’environ 32000 kilomètres de large. Pour comparaison, le diamètre de la Terre n’est « que » de 12 742 kilomètres.</p>
<p>Ce cyclone exceptionnel évolue peu en termes de physionomie dans le temps et dans l’espace et ressemble toujours à un hexagone, contrairement aux autres nuages de l’atmosphère visible qui, eux, changent d’organisation spatiale en permanence.</p>
<p>L’Hexagone de Saturne a d’abord été découvert par les deux sondes du programme Voyager en 1981-1982, mais les photos n’étaient pas de très bonne qualité. Il a été <a href="https://cassini-huygens.cnes.fr/fr/le-complexe-hexagone-au-pole-nord-de-saturne">étudié à nouveau par la mission Cassini-Huygens en 2006</a>.</p>
<p>Comme sur Terre, les pôles font face au soleil à certaines saisons seulement (en été pour le pôle Nord par exemple) ; le reste du temps, ils sont plongés dans l’obscurité… d’autant que, sur Saturne, une saison dure à peu près sept ans. Ainsi, Cassini n’a pu prendre que des photos dans l’infrarouge jusqu’en janvier 2009. Quand l’hexagone a fait face au Soleil, il est devenu observable en lumière visible, ce qui a permis de réaliser une <a href="https://www.youtube.com/watch?v=BBQ_rnkqtpk">vidéo du cyclone</a> et aussi de compléter les informations qui nourrissent le travail des astrophysiciens, avec des spectres optiques <a href="https://www.youtube.com/watch?v=S0ni5gNA_-I">plus complets, dans le visible et l’infrarouge</a>.</p>
<h2>Pourquoi le seul ouragan en forme d’hexagone est-il sur Saturne et pas ailleurs ?</h2>
<p>Tout comme Jupiter et sa tache rouge, Saturne représente pour les chercheurs un <a href="https://theconversation.com/un-bain-bouillonnant-pour-recreer-jupiter-en-laboratoire-141407">laboratoire géant de mécanique des fluides astrophysiques</a>.</p>
<p>En effet, cet hexagone si particulier doit malgré tout obéir aux lois de la physique. De manière générale, une observation astronomique doit être comprise et expliquée sous l’angle de la physique par le biais d’un modèle (fait d’équations ou d’expériences) pour comprendre les phénomènes mis en jeu. Les instruments d’observation en astronomie donnent aujourd’hui accès à des phénomènes complexes (comme notre hexagone), et pour les comprendre nous avons besoin de modèles qui tiennent compte de la nature des corps célestes et de la façon dont ils évoluent. Ceux-ci étant souvent gazeux, on parle de « mécanique des fluides ».</p>
<p>Le développement récent de la mécanique des fluides astrophysiques est essentiellement lié à celui de la simulation numérique, qui permet d’explorer des situations jamais observées en laboratoire ou dans l’espace : par exemple, quelles conditions sont nécessaires pour observer un cyclone hexagonal ? Comment le cyclone réagirait-il si la direction du vent change ?</p>
<p>De nombreux travaux sur le sujet de l’hexagone saturnien ont vu le jour. On peut signaler des <a href="https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2000317117">approches de type simulations numériques</a> et même <a href="https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S0019103509004382">expérimentale</a>.</p>
<p>Un des scénarios proposés est le suivant : Saturne, comme Jupiter, est une planète gazeuse et son atmosphère instable est en permanence confrontée à des écoulements complexes assimilables à des tempêtes, des jets, des courants et des tourbillons, et ce, peu importe l’altitude. Et, justement, les <a href="https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2000317117">écoulements atmosphériques de basse altitude peuvent créer des tourbillons de différentes tailles</a>. Ici, ces écoulements entoureraient un courant horizontal plus large qui souffle vers l’est autour du pôle nord de Saturne, et qui se compose lui-même de plusieurs tempêtes plus modestes en taille. Toutes ces petites tempêtes confinent le courant du côté du pôle et déforment certains jets en hexagone. Cette idée a donc été transformée en modèle physique, puis simulée – mais les simulations ont formé une géométrie à neuf côtés, au lieu des 6 observés. En revanche, la stabilité de cette géométrie prouve que le mécanisme envisagé, sans donner le résultat observé, n’est pas forcément défaillant.</p>
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<p>Une autre hypothèse est que les <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103509004382">formes hexagonales se développent là où il existe une très forte variation de la vitesse des vents atmosphériques</a> à certaines latitudes dans l’atmosphère de Saturne. Des formes régulières similaires ont pu être créées en laboratoire en mettant en rotation un fluide dans un réservoir circulaire à des vitesses différentes au centre et en périphérie. La forme la plus commune était à six faces (hexagonale donc), et des formes de trois à huit côtés ont également été produites.</p>
<p>Cependant, ces reproductions en laboratoire sont « incomplètes ». En effet, elles comportent des vortex stabilisant les bords des hexagones alors que <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103509004382">celui de Saturne est bel et bien indépendant de tout vortex stabilisateur</a>.</p>
<p>Les mystères qui produisent l’hexagone de Saturne sont encore loin d’être dévoilés… d’autant qu’en 2018, une <a href="https://www.nature.com/articles/s41467-018-06017-3">structure similaire a été observée à 300 kilomètres au sud du pôle Nord</a> ! Ce défi de taille semble destiné à aiguiser la créativité des chercheurs en dynamique des fluides astrophysiques pendant encore longtemps.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/203437/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Waleed Mouhali ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Le pôle nord de Saturne est envoûtant, avec un ouragan hexagonal qui tourne doucement. Plongée en astrophysique des fluides.Waleed Mouhali, Enseignant-chercheur en Physique, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/2032482023-04-04T17:36:09Z2023-04-04T17:36:09ZPourquoi a-t-on des cernes lorsqu’on est fatigué ?<p>Après une nuit bien trop courte, on vous fait remarquer que vous avez mauvaise mine et pour cause, vous arborez de magnifiques cernes sous les yeux ! Mais alors, pourquoi a-t-on des cernes lorsqu’on est fatigué ?</p>
<p>Avant de parler des causes et du pourquoi des cernes, commençons par le début : un cerne, c’est quoi ? Un cerne correspond à une variation de couleur de la peau située en dessous de l’œil. Souvent, le cerne a une couleur bleue/violette.</p>
<p>Il faut savoir que la région sous l’œil est très vascularisée. Elle se compose d’un réseau de vaisseaux sanguins et de vaisseaux lymphatiques, ces deux réseaux participent à la circulation cutanée.</p>
<h2>Les cernes, une histoire de circulation sanguine</h2>
<p>En ce qui concerne les vaisseaux sanguins, on trouve aussi bien des artères, qui transportent le sang du cœur aux organes, que des veines qui ramènent le sang utilisé par les organes vers le cœur. Dans les artères, le sang circulant est rouge car il est riche en oxygène. Au contraire, le sang circulant dans les veines (qui a été consommé par les organes) est bleuté car il est pauvre en oxygène.</p>
<p>En parallèle, les vaisseaux lymphatiques font circuler la lymphe. La lymphe est un liquide biologique qui a une composition similaire au plasma sanguin, il transporte des globules blancs ou lymphocytes et évacue les déchets des cellules. Le long de son trajet à travers les vaisseaux lymphatiques, la lymphe recueille certains déchets, des bactéries et des cellules endommagées afin qu’ils puissent être évacués du corps ou détruits par les ganglions lymphatiques (« centre de tri des déchets »). Une fois débarrassée de ces « déchets », la lymphe rejoint le système veineux.</p>
<p>Tout ce réseau vasculaire est situé sous une peau ultrafine. En effet, la peau du contour de l’œil est bien plus fine que sur le reste du corps. Elle mesure environ 0,3 millimètre, soit l’épaisseur de seulement trois feuilles de papier imprimante. En comparaison, elle est de 0,6 millimètre en moyenne sur le corps et peut atteindre 1,2 à 4,7 millimètres sur la paume des mains et la plante des pieds.</p>
<p>Elle est donc translucide et laisse ainsi entrevoir les vaisseaux sanguins par transparence… Ainsi, un dérèglement au niveau de la circulation sanguine sera directement visible au niveau de la peau.</p>
<p>Eh oui, les cernes sont donc la manifestation visible d’un dérèglement de la circulation cutanée !</p>
<p>Vous le savez, un sommeil de qualité est primordial. Il est en particulier essentiel pour la circulation cutanée. En effet, durant la nuit, notre peau se met en mode régénération : la circulation s’active et atteint son maximum afin de réparer la peau et la débarrasser des déchets cellulaires, bactéries, excès d’eau…</p>
<p>En cas de fatigue, cette dernière devient paresseuse et ralentit… Ainsi, d’un côté, les veines se gorgent de sang et donc se dilatent (deviennent plus grosses). D’un autre, la mauvaise circulation lymphatique empêche un bon drainage (une bonne élimination) des déchets qui s’accumulent. Les cernes apparaissent !</p>
<h2>L’hérédité et le vieillissement peuvent aussi jouer sur les cernes</h2>
<p>Attention néanmoins, si le manque de sommeil reste une cause majeure d’apparition des cernes, d’autres facteurs ne sont pas à négliger…</p>
<p>De manière étonnante, le problème des cernes peut être héréditaire : si plusieurs membres de votre famille ont tendance à avoir des cernes, il se pourrait que, malgré un temps de sommeil suffisant, les cernes ne vous fassent pas de cadeau !</p>
<p>Enfin, vieillir n’arrangera pas les choses. En effet, avec le temps, la peau perd en élasticité et devient plus fine, laissant alors les vaisseaux sanguins encore plus visibles.</p>
<p>Néanmoins, vous pouvez agir sur les cernes par des gestes simples, notamment en relançant la circulation cutanée. Par exemple, appliquer du froid sur les cernes peut aider à réduire les cernes déjà présents. En effet, le froid stimule la circulation sanguine et a ainsi un effet décongestionnant : les vaisseaux sanguins se rétractent et le cerne est moins visible.</p>
<hr>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.dianerottner.com/">Diane Rottner</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span>
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<p class="fine-print"><em><span>Coralie Thieulin ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Quelques mauvaises nuits et les cernes apparaissent, ce phénomène est lié à la circulation sanguine.Coralie Thieulin, Enseignant chercheur en physique à l'ECE, docteure en biophysique, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1940782022-11-15T16:55:18Z2022-11-15T16:55:18ZImages de science : En 1919, l’éclipse qui démontra la relativité générale<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/494063/original/file-20221108-16-j7ghm6.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C362%2C1191%2C1111&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Photo de l'éclipse de Soleil de 1919, avec les positions annotées des étoiles qui démontrèrent la théorie de la relativité générale.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:1919_eclipse_positive.jpg">Frank W. Dyson, Arthur S. Eddington et Charles R. Davidson</a></span></figcaption></figure><p>Nous sommes le 29 mai 1919. Une éclipse solaire totale, visible du centre du Brésil jusqu’à l’Afrique de l’Est, s’est emparée du ciel pendant 6 minutes et 51 secondes. Ce n’est pas une éclipse comme les autres, celle-ci est historique : on la surnomme l’« éclipse de la relativité générale ». Elle est considérée comme l’<em>experimentum crucis</em>, c’est-à-dire l’expérience qui a permis de valider la théorie.</p>
<p>À vrai dire, on ne regardait pas ici le soleil caché par la Lune, mais bien les taches blanches à sa droite, des étoiles qui se trouvent plus loin derrière notre astre et qui sont habituellement cachées par la luminosité du Soleil.</p>
<p>Pour comprendre l’engouement particulier pour cette éclipse et pour la double expédition menée par Sir Arthur Eddington vers l’île de Príncipe en Afrique de l’Ouest et Sobral au Brésil, il faut remonter un peu le temps.</p>
<p>En 1905, Einstein publiait sa <a href="https://www.cea.fr/comprendre/Pages/physique-chimie/essentiel-sur-principe-relativite.aspx">théorie de la relativité restreinte</a> – qui postule notamment que la vitesse de la lumière dans le vide est inchangée quelque soit la vitesse de l’observateur. Mais il réalisa que celle-ci était incompatible avec la théorie de la gravitation de Newton, établie au XVII<sup>e</sup> siècle et qui explique pourquoi les pommes tombent des arbres et pourquoi les astronautes flottent dans la station spatiale internationale.</p>
<p>Ceci amena Einstein à réfléchir dès 1907 à une théorie de la gravitation qui soit compatible avec sa relativité restreinte : c’est la <a href="https://www.youtube.com/watch?v=E5LvA8FHBxs">relativité générale</a>, très différente de la gravitation newtonienne (qui est en fait valable pour les objets de faible masse et à des vitesses faibles par rapport à la vitesse de la lumière).</p>
<p>Einstein propose notamment que la <a href="https://www.decitre.fr/livres/une-breve-histoire-du-temps-9782081452015.html">gravitation n’est pas une force, mais la manifestation d’une courbure géométrique de l’espace-temps</a>, courbure produite par la présence de masses, comme des étoiles ou des trous noirs, ou de façon équivalente, de la présence d’énergie : c’est le fameux E=mc<sup>2</sup>, où E est l’énergie, m la masse et c la vitesse de la lumière.</p>
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<a href="https://images.theconversation.com/files/494064/original/file-20221108-11-kh8xd7.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="schéma de la terre qui déforme une nappe un peu élastique" src="https://images.theconversation.com/files/494064/original/file-20221108-11-kh8xd7.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/494064/original/file-20221108-11-kh8xd7.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=265&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/494064/original/file-20221108-11-kh8xd7.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=265&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/494064/original/file-20221108-11-kh8xd7.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=265&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/494064/original/file-20221108-11-kh8xd7.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=332&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/494064/original/file-20221108-11-kh8xd7.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=332&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/494064/original/file-20221108-11-kh8xd7.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=332&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">La matière courbe localement l’espace-temps, c’est la vision d’Einstein de la gravitation. Ici, on représente l’analogie avec une nappe qui se déforme : la nappe est à deux dimensions, tandis que l’espace-temps est en réalité à quatre dimensions (trois d’espace, une de temps).</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spacetime_curvature.png">Johnstone, Wikipedia</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">CC BY-SA</a></span>
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<p>Une analogie permettant une visualisation de la relativité consiste à représenter l’espace-temps en trois dimensions comme une nappe tendue se déformant sous la masse des objets que l’on y met. Si la nappe est bien tendue et sans aucun corps dessus, une bille légère que l’on fait rouler dessus se déplace en ligne droite. Si on place au centre de la nappe une boule lourde, la nappe se déforme et la bille ne se déplace plus en ligne droite. Elle peut même tomber vers la boule, donnant l’illusion que la bille est attirée par la boule « comme par un aimant »… alors que cette attraction est le résultat indirect de la forme de la nappe qui s’applique aux masses en tout lieu de celle-ci.</p>
<h2>Les étoiles dévient la lumière des autres étoiles</h2>
<p>Cela signifie que les objets massifs, comme les étoiles, peuvent fléchir la trajectoire de la lumière lorsqu’elle passe devant eux. Dans son manuscrit de 1915, Einstein propose de tester sa théorie sur trois applications. Parmi elles, la déviation d’un rayon lumineux dans un champ de gravitation d’un astre massif comme le Soleil. Einstein prédit une déviation deux fois plus grande que celle obtenue par les équations de Newton.</p>
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<p>Le Soleil est un objet massif qui, selon la théorie d’Einstein, déforme le rayon lumineux émis par des étoiles lointaines lorsqu’il passe devant elles. Normalement, le Soleil est bien trop brillant pour qu’on puisse remarquer cette lumière. Mais pendant une éclipse, la Lune « occulte » le Soleil. Il est alors possible d’apercevoir les étoiles autrement invisibles du fait de l’éblouissante lumière du Soleil.</p>
<p>Si le rayon lumineux voyage en ligne droite, la carte du ciel est inchangée, avec ou sans Soleil interposé. Si la théorie proposée par Einstein est correcte, la lumière se courbe quand elle passe à proximité de l’astre, et sur Terre on enregistre une position décalée par rapport à la position vraie. Le Soleil produit une sorte de « mirage » et on détecte des étoiles en fait cachées derrière lui. Ainsi pour un observateur, les étoiles semblent se déplacer sur le fond du ciel pendant la durée de l’éclipse. Il s’agit donc de prendre une photo des objets visibles au moment du phénomène et comparer à la carte obtenue par une nuit normale quand la lumière suit une trajectoire rectiligne. Les images des étoiles sont d’autant plus affectées qu’elles passent proche de l’astre, la déflexion étant proportionnelle à la masse (du Soleil, ici) et inversement proportionnelle à la distance d’approche.</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/courbure-de-lespace-temps-et-trous-noirs-decouverte-de-douze-nouveaux-mirages-gravitationnels-161009">Courbure de l’espace-temps et trous noirs : découverte de douze nouveaux mirages gravitationnels</a>
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<p>C’est l’enjeu de l’expédition menée par Arthur Eddington : observer une éclipse totale de Soleil dans deux endroits. Une équipe s’est rendue sur l’île de Príncipe, en Afrique de l’Ouest, et une autre à Sobral, au Brésil. Chaque équipe a pris des photographies de l’éclipse, ce qui a permis de comparer la position des étoiles durant l’éclipse et pendant une nuit « normale » et de mesurer la déviation des rayons lumineux. Utiliser deux expéditions permet d’avoir des mesures complémentaires (et compatibles, ouf !) et de multiplier les chances d’avoir une bonne visibilité (sans nuages, par exemple).</p>
<p>Le 6 novembre 1919, une <a href="https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsta.1920.0009">session spéciale de la <em>Royal Society</em></a> fut convoquée. Le résultat du Brésil, avec sept étoiles bien identifiées, mesura une déflexion de 1,98 ± 0,16 seconde d’arc (1,61 seconde d’arc à Principe). Le calcul d’Einstein prédisait 1,74.</p>
<p>Ainsi, Arthur Eddington et ses équipes ont montré que la théorie de la relativité générale d’Einstein était correcte. Ce fut un immense déferlement d’enthousiasme, jusqu’à faire la une du <em>New York Times</em> !</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/194078/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Waleed Mouhali ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>La théorie d'Einstein a attendu une éclipse de Soleil et deux expéditions au bout du monde pour se voir validée.Waleed Mouhali, Enseignant-chercheur en Physique, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1874942022-09-13T19:20:50Z2022-09-13T19:20:50ZPaul : « Pourquoi la peau se relâche lorsqu’on vieillit ? »<p>Et si, pour répondre à cette question, on rentrait à l’intérieur de notre peau ?</p>
<p>La peau est faite de trois couches : l’épiderme, le derme et l’hypoderme, de l’extérieur vers l’intérieur de notre corps. Elles sont toutes affectées par le vieillissement mais c’est au niveau du derme que se produit le relâchement cutané (de la peau).</p>
<p>Le derme, la couche du milieu, est un tissu dit conjonctif, c’est-à-dire qui sert de soutien. Il est composé de cellules appelées « fibroblastes » qui baignent dans un gel, la matrice extracellulaire. Les fibroblastes fabriquent deux types de protéines qui constituent cette matrice extracellulaire : le collagène et l’élastine. L’élastine rend le derme souple et extensible : c’est elle qui permet à la peau de reprendre sa forme quand elle est pincée ou étirée. Le collagène, quant à lui, est le soutien mécanique de la peau. En effet, un peu comme pour un matelas à ressorts, la peau doit sa résistance à l’organisation et la structure des fibres de collagène !</p>
<p>Mais rien ne dure, pas même le meilleur des matelas avec les meilleurs ressorts…</p>
<p>Eh oui, quand on vieillit, les fibroblastes deviennent moins nombreux et moins efficaces. En conséquence, le collagène se fait plus rare au niveau du derme… Reprenons l’image du matelas à ressorts, imagine que tu enlèves progressivement la moitié des ressorts à l’intérieur. Que se passe-t-il ? Le matelas est moins ferme : il s’affaisse ! C’est ce qu’il se passe pour notre peau. À partir de 30 ans, on perd en moyenne 1 % de collagène par an. C’est pourquoi la peau se relâche quand on vieillit.</p>
<p>Mais attention, nous ne sommes pas tous égaux face au vieillissement cutané ! En général, on différencie le vieillissement intrinsèque (c’est-à-dire naturel, simplement dû au temps qui passe) du vieillissement extrinsèque. Celui-ci est induit par un ensemble de facteurs environnementaux, par exemple les rayons ultraviolets du soleil, le stress, la pollution, l’alimentation, le tabac ou l’alcool… qui accélèrent le vieillissement naturel.</p>
<p>Le point commun entre tous ces facteurs environnementaux, c’est la production de « radicaux libres ».</p>
<p>Un radical libre, c’est un atome ou une molécule qui possède un ou plusieurs électrons célibataires. Comme ces électrons sont seuls, ils se baladent partout pour trouver leur moitié ! Le problème, c’est qu’ils n’hésitent pas à piquer des électrons à d’autres molécules et atomes qui, à leur tour, deviennent des radicaux libres. Durant cette quête, les radicaux libres causent des dommages aux protéines – dont le collagène, à l’ADN et aux membranes cellulaires.</p>
<p>Si ce phénomène est naturel, sous l’effet de l’exposition au soleil, de la pollution atmosphérique, de certains aliments, d’une sédentarité excessive, du tabac et du stress, ces molécules sont produites en quantité très importante par les fibroblastes.</p>
<p>Pour ne pas arranger les choses, plus on vieillit, moins notre corps peut se défendre, permettant alors aux radicaux libres de faire des ravages ! Ils s’attaquent aux fibroblastes, endommageant ainsi la fabrication des protéines de collagène qui donne la résistance à la peau. C’est ce qu’on appelle le « stress oxydatif », principale cause de vieillissement prématuré de la peau.</p>
<p>Heureusement, il y a une solution : les <a href="https://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doschim/decouv/peau/radicaux_libres.html">« antioxydants »</a>, qui neutralisent les radicaux libres en leur donnant de leurs électrons, ce qui <a href="https://www.jdsjournal.com/article/S0923-1811(10)00078-2/fulltext">ralentit le vieillissement de la peau</a>.</p>
<p>Le seul inconvénient des antioxydants, c’est qu’on a besoin de les trouver à l’extérieur de notre corps. On les trouve notamment dans l’alimentation qui doit être équilibrée, riche en vitamines (A, C, E) et en minéraux comme les oligoéléments et les polyphénols. Et bonne nouvelle, le chocolat est un super antioxydant !</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/une-breve-histoire-du-chocolat-et-de-ses-surprenantes-vertus-pour-la-sante-152026">Une brève histoire du chocolat et de ses surprenantes vertus pour la santé</a>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.dianerottner.com/">Diane Rottner</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span>
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<p><em>Si toi aussi tu as une question, demande à tes parents d’envoyer un mail à : <a href="mailto:tcjunior@theconversation.fr">tcjunior@theconversation.fr</a>. Nous trouverons un·e scientifique pour te répondre</em>.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/187494/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Coralie Thieulin ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Nous ne sommes pas tous égaux face au vieillissement cutané.Coralie Thieulin, Enseignant chercheur en physique à l'ECE, docteure en biophysique, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1864142022-07-24T15:50:30Z2022-07-24T15:50:30ZComprendre la formation des vagues, et comment les surfeurs les domptent<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/472570/original/file-20220705-1817-lex54z.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=29%2C14%2C4928%2C2512&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Faire du surf, c'est aussi comprendre la physique des vagues. Ici à Croyde Bay.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://unsplash.com/photos/U9g56y7R7Fk">Surfing Croyde Bay, Unsplash</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span></figcaption></figure><p><em>Les vacances d'été amènent leur lots de questions cruciales: faut-il changer de file quand on est coincés dans les bouchons? Comment ce surfeur tient-il sur sa planche? Comment se protéger du soleil? Où construire un château de sable? D'où viennent les odeurs de la nature, et à quoi servent-elles? Nous vous proposons 5 articles pour bronzer moins bête.</em></p>
<p>Si vous choisissez, comme destination de vacances, la mer qui danse le long des golfes clairs, avec ses reflets changeants, témoins privilégiés des caprices du ciel, vous vous retrouverez sans doute à attendre qu’une vague vous emporte, avant qu’elle ne vienne s’échouer sur le bord. On en a tous fait l’expérience : rien de plus compliqué que de prévoir comment une vague va venir nous emporter ou comment sortir de l’eau une fois dans les flots impétueux.</p>
<p>Au moment d’apprécier l’ampleur d’une vague, pendant quelques secondes et de manière improvisée, on se transforme en physicien modélisateur d’un phénomène très complexe pour en prédire ses effets.</p>
<p>Les vagues sont des phénomènes naturels aussi spectaculaires que dangereux. La hauteur des vagues varie de quelques centimètres à 32,3 mètres pour la <a href="https://angeo.copernicus.org/articles/26/1327/2008/angeo-26-1327-2008.pdf">plus haute enregistrée par un instrument</a>, voire plus de 34 mètres pour la plus haute vague observée visuellement.</p>
<h2>Origine et nature des vagues</h2>
<p>Une vague est une déformation de la surface d’une masse d’eau le plus souvent provoquée par un autre fluide : le vent. À l’interface, le vent crée des vagues sur les océans, mers et lacs.</p>
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<a href="https://images.theconversation.com/files/472568/original/file-20220705-14-bdbi5x.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="tableau de naufrage avec des grandes vagues et un ciel de feu" src="https://images.theconversation.com/files/472568/original/file-20220705-14-bdbi5x.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/472568/original/file-20220705-14-bdbi5x.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=403&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/472568/original/file-20220705-14-bdbi5x.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=403&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/472568/original/file-20220705-14-bdbi5x.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=403&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/472568/original/file-20220705-14-bdbi5x.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=507&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/472568/original/file-20220705-14-bdbi5x.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=507&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/472568/original/file-20220705-14-bdbi5x.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=507&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">La neuvième vague, tableau Hovhannes Aivazovsky, 1850.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://en.wikipedia.org/wiki/File:Hovhannes_Aivazovsky_-_The_Ninth_Wave_-_Google_Art_Project.jpg">Hovhannes Aivazovsky/Wikipedia</a></span>
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<p>D’autres phénomènes, beaucoup moins fréquents, sont aussi source de vagues : certains séismes, éruptions volcaniques ou chutes de météorites créant des vagues appelées tsunamis ou raz-de-marée. La marée est également à l’origine de vagues très particulières, appelées mascarets, de brusques surélévations de l’eau d’un fleuve ou d’un estuaire, provoqué par l’onde de la marée montante dans l’embouchure et le cours inférieur de certains cours d’eau, lors des grandes marées. Enfin, les navires sont aussi des sources de vagues.</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/comment-naissent-les-vagues-scelerates-146646">Comment naissent les vagues scélérates ?</a>
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<p>Les vagues sont des ondes, c’est-à-dire des phénomènes qui se déplacent de manière périodique dans le temps (on parle de période) et dans l’espace (on parle de longueur d’onde). Elles peuvent se propager pendant des kilomètres avant de toucher terre, et gagner en force en fonction de la pente du sol océanique. Pour comprendre ce phénomène, il faut rechercher une modélisation physique de la vague.</p>
<h2>Une brève histoire des vagues</h2>
<p>L’astronome et mathématicien George Biddell Airy a fourni la théorie la plus simple pour des vagues régulières (périodiques). L’onde d’Airy possède une surface libre, la surface de l’eau, de forme sinusoïdale. C’est une vision très simplifiée de la réalité, valable pour des vagues de faible « cambrure », c’est-à-dire le rapport de la hauteur sur la longueur d’onde.</p>
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<p>Si on regarde avec attention les vagues en mer, on constate que la plupart d’entre elles ne sont pas sinusoïdales : les crêtes sont plus pointues, les creux plus aplatis.</p>
<p>Mais ce qui est intéressant pour nous aujourd’hui dans la théorie d’Airy, c’est que les particules de fluide décrivent des ellipses presque fermées, dont la taille décroît avec la profondeur. On pense toujours à tort qu’un vague nous emporte : en réalité, si l’on nage en profondeur pendant la propagation d’une vague, on s’aperçoit qu’il y a un mouvement de va-et-vient, pas forcément intuitive du point de vue l’expérience au quotidien mais bien mis en évidence par la théorie d’Airy.</p>
<figure> <img src="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Shallow_water_wave.gif"><figcaption>Unevagueavance et les particules transportées par les flots ont des trajectoires elliptiques. (Kraaiennest/Wikipedia).</figcaption></figure>
<p>En eau profonde, c’est-à-dire pour des profondeurs supérieures à la moitié de la longueur d’onde, ces ellipses sont des cercles. Le fait que les ellipses ne soient pas tout à fait fermées est une manifestation de la <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9rive_de_Stokes">« dérive de Stokes »</a>. Près de la surface libre, la vitesse d’une particule d’eau est plus importante sous une crête que la vitesse opposée lors du passage du creux suivant. Il en résulte une dérive dans le sens de propagation des vagues qui peut s’inverser en profondeur.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/472567/original/file-20220705-20-20rozd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="Un homme et une femme jouent et rient, habillés dans une grande vague" src="https://images.theconversation.com/files/472567/original/file-20220705-20-20rozd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/472567/original/file-20220705-20-20rozd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=377&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/472567/original/file-20220705-20-20rozd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=377&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/472567/original/file-20220705-20-20rozd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=377&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/472567/original/file-20220705-20-20rozd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=474&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/472567/original/file-20220705-20-20rozd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=474&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/472567/original/file-20220705-20-20rozd.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=474&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Quelle liberté ! Tableau d’Ilya Repin.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:%D0%98%D0%BB%D1%8C%D1%8F_%D0%A0%D0%B5%D0%BF%D0%B8%D0%BD_-_%D0%9A%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B9_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80.jpg">Ilya Repin</a></span>
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</figure>
<h2>Déferlement des vagues à l’approche de la plage</h2>
<p>Revenons à ce qui va nous concerner cet été : faire face aux vagues… dignement ! En fait, « s’approprier une vague », c’est comprendre son <a href="https://www.pourlascience.fr/sr/article-fond/le-deferlement-4923.php">déferlement</a>.</p>
<p>En effet, certaines vagues sont trop cambrées pour être stables : elles déferlent.</p>
<p>À l’approche d’un rivage, la profondeur diminue, la forme des vagues se modifie, d’abord de manière à peu près symétrique puis en général avec une face avant de plus en plus raide dès que la hauteur de la vague est du même ordre que la profondeur. Quand la vague se brise, l’essentiel de son énergie est dissipée en tourbillons et bulles d’air. L’impulsion associée contribue à accélérer le courant dans la direction du déferlement.</p>
<p>La forme d’un déferlement au voisinage du rivage dépend essentiellement de la pente des fonds. En allant dans le sens des pentes croissantes on distingue les plus souvent trois types de déferlement. Le déferlement progressif ou glissant se produit généralement sur les plages à très faible pente. Les vagues commencent à se briser loin du rivage avec une crête à l’aspect mousseux qui s’accentue lors de la progression en laissant derrière une couche d’écume.</p>
<p>Le déferlement plongeant est particulièrement spectaculaire avec ses rouleaux appréciés par les surfeurs. La vague s’enroule autour d’une poche d’air puis s’écroule en créant une éclaboussure notable. Cela tend à se produire le plus souvent sur une forte pente ou sur un changement brutal de la profondeur (un écueil), et c’est pour ça qu’il y a des « spots » appréciés par les surfeurs.</p>
<h2>Tirer son énergie des vagues</h2>
<p>Il y a beaucoup plus d’énergie dissipée que d’énergie réfléchie sur la plage. L’énergie dissipée à la surface de la vague qui s’effondre est bénéfique au surfeur qui peut l’utiliser comme source d’énergie cinétique : la vague lui apporte la dynamique nécessaire pour se déplacer, et réaliser les figures qu’il souhaite sur sa planche en mouvement grâce à la vague.</p>
<p>Le déferlement frontal ou gonflant se forme comme le déferlement plongeant mais la vague gravit la plage avant que la crête puisse s’enrouler. La zone de déferlement est très étroite et une grande partie de l’énergie est réfléchie vers les plus grandes profondeurs. Quand la crête va plus vite que la vague elle-même, une épaisse couche d’écume au sommet se forme au sommet. On parle alors de déferlement glissant, typique d’un rivage à faible pente. Ce type de déferlement désavantage complètement le surfeur puisque l’énergie est donnée aux profondeurs. Le talent du surfer en tant que « physicien occasionnel » est de pouvoir reconnaître les types de déferlement à cet effet.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/472564/original/file-20220705-26-q5cctz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="Quatre types de vagues déferlant sur la plage : glissant, gonflant, plogeant et s’effondrant rapidement" src="https://images.theconversation.com/files/472564/original/file-20220705-26-q5cctz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/472564/original/file-20220705-26-q5cctz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=260&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/472564/original/file-20220705-26-q5cctz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=260&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/472564/original/file-20220705-26-q5cctz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=260&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/472564/original/file-20220705-26-q5cctz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=327&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/472564/original/file-20220705-26-q5cctz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=327&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/472564/original/file-20220705-26-q5cctz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=327&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Types de déferlements.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Breaking_wave_types.gif">S.L. Douglas et J. Krolak/FHWA/Wikimedia</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Il existe aussi un cas intermédiaire entre les déferlements plongeant et frontal. Au lieu de constituer un rouleau, la vague présente une face verticale avant de s’effondrer.</p>
<p>Les surfeurs sont souvent surnommés les « dompteurs » de vagues. Les bonnes conditions de vagues permettent une bonne pratique de surf (avec beaucoup de technique quand même !). Cela signifie de bonnes conditions de vent ou de houle, pouvant varier selon les lieux.</p>
<p>Les vagues creuses, avec un déferlement plongeant, sont les préférées des « shortboarders », qui utilisent des planches courtes. Les vagues creuses sont les vagues les plus puissantes, mais pas forcément les plus grandes. En effet, certaines vagues que l’on peut qualifier de creuses sont bien plus puissantes qu’une vague molle de la même taille. Le principe du shortboard (planche courte) est de permettre une pratique du surf plus « dynamique » avec des changements multiples de direction sur la vague pour réaliser différentes figures. Ceci est rendu possible avec une vague dont le déferlement est mieux contrôlé.</p>
<p>Finalement, un surfeur fait avant tout de la recherche appliquée discipline « bonnes vagues ».</p>
<p>De manière générale, que vous jouiez avec elles, que vous les contempliez ou les affrontiez, profitez de ces instants de liberté offerts par la Nature. Et souvenons-nous qu’il n’y a qu’une seule planète Terre pour passer de beaux étés !</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/186414/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Waleed Mouhali ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Le vent, la pente du sol océanique, la vitesse de l’eau – des paramètres à prendre en compte pour profiter des vagues cet été.Waleed Mouhali, Enseignant-chercheur en Physique, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1850612022-06-28T17:06:13Z2022-06-28T17:06:13ZCamille : « Pourquoi notre nez devient rouge quand on se mouche beaucoup ? »<p>Les premières chaleurs sont de retour et avec elles le rhume des foins provoquant éternuement et nez qui coulent chez ceux qui en souffrent. À force de se moucher, on finit par avoir le nez tout rouge : la peau est agressée !</p>
<p>Pour comprendre pourquoi, je dois t’expliquer la structure et le fonctionnement de la peau.</p>
<p>La peau est l’enveloppe protectrice de notre corps. Elle contient environ 70 % d’eau et est composée de plusieurs couches appelées l’hypoderme, le derme et l’épiderme (de la plus profonde à la plus en surface).</p>
<p>A la surface de l’épiderme, on trouve une couche quatre fois plus fine qu’un cheveu qui constitue un vrai bouclier de protection contre les agressions de l’extérieur (bactéries, rayons solaires…) et permet d’empêcher l’eau (contenue dans la peau) de s’évaporer. On le représente souvent comme un mur de briques très solide : les cellules de peau font office de briques et sont reliées solidement entre elles par un genre de ciment qu’on appelle les lipides cutanés.</p>
<p>Plus il y a de couches de cellules, plus le mur est solide.</p>
<p>Malheureusement, malgré la solidité de ce mur de protection, un frottement répété de mouchoirs contre la peau peut l’endommager. En effet, plus on frotte le nez avec un mouchoir, plus on enlève des cellules de peau c’est-à-dire des briques du mur. Ainsi, la barrière de protection est affaiblie, la peau se dessèche, les bactéries peuvent franchir le mur de protection et l’organisme se sent agressé. Il se défend alors en répondant par une réaction inflammatoire permettant l’élimination totale des intrus puis la réparation de la barrière cutanée en fabriquant de nouvelles cellules de peau. Cette inflammation est associée, notamment, à une augmentation du flux sanguin vers la peau abîmée : le fameux nez rouge fait son apparition.</p>
<p>Rien de grave, néanmoins, ce nez rouge peut être la cause de sensations très désagréables que l’on préfèrerait éviter.</p>
<p>Pour contrer cette apparition, tu peux déjà revoir ta technique de mouchage. Eh oui, se moucher, ça s’apprend. Alors, évite de frotter trop fort avec ton mouchoir : plus tu frottes fort, plus tu abîmes la barrière protectrice de la peau.</p>
<p>Ensuite, si malgré tous tes efforts, tu as quand même le nez du renne Rudolph, tu peux soigner rapidement cette irritation en appliquant de la crème hydratante dessus. La crème va créer une barrière entre la peau et l’air et aider à la cicatrisation de la peau, c’est-à-dire à reconstruire les briques du mur de protection.</p>
<p>Et la prochaine fois, pourquoi ne pas utiliser des mouchoirs aux super pouvoirs ? Pour éviter ton problème de nez rouge, les scientifiques et industriels rivalisent d’inventivité pour fabriquer des mouchoirs toujours plus doux et aux propriétés apaisantes pour la peau. Certains mouchoirs en papier tout doux contiennent de l’Aloe Vera ou de l’huile d’amande douce, toutes deux connues pour les propriétés apaisantes pour la peau. On trouve également des mouchoirs enrichis en vitamine E reconnue pour ses propriétés anti-inflammatoire et hydratante. Même si ces mouchoirs apportent plus de confort et permettent de réduire l’irritation, après 50 mouchages, il est fort probable que ton nez finisse par être rouge quand même !</p>
<hr>
<figure class="align-left ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption"></span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.dianerottner.com/">Diane Rottner</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span>
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<p><em>Si toi aussi tu as une question, demande à tes parents d’envoyer un mail à : <a href="mailto:tcjunior@theconversation.fr">tcjunior@theconversation.fr</a>. Nous trouverons un·e scientifique pour te répondre</em>.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/185061/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Coralie Thieulin ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Pour tout comprendre, il faut aller explorer la structure de notre peau.Coralie Thieulin, Enseignant chercheur en physique à l'ECE, docteure en biophysique, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1798782022-04-03T16:12:31Z2022-04-03T16:12:31ZL’effet papillon : qu’est-ce qui se cache derrière la théorie du chaos ?<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/454736/original/file-20220328-17-b2liqb.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C0%2C1024%2C768&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Fractale représentée par l’ensemble de Mandelbrot.
</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mandel_zoom_00_mandelbrot_set.jpg">Wolfgang Beyer/Wikimedia Commons</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/">CC BY-NC-SA</a></span></figcaption></figure><p>Dans la mythologie grecque, Chaos est l’élément primordial de la théogonie hésiodique, où il désigne une profondeur béante. Ovide en fait dans ses <em>Métamorphoses</em> une « masse informe et confuse qui n’était encore rien que poids inerte, amas en un même tout de germes disparates des éléments des choses, sans lien entre eux ». Dans la tradition judéo-chrétienne, le chaos est un état vague et vide de la terre avant l’intervention créatrice de Dieu. Aujourd’hui, dans le langage courant, il représente un état de confusion générale, de désordre, de perturbation.</p>
<p>En mathématiques, le concept de « théorie du chaos » a un sens plus spécifique. Cette discipline étudie le comportement des systèmes dynamiques, systèmes qui évoluent avec le temps, très sensibles aux conditions initiales. Ainsi, des différences infimes dans les conditions initiales entraînent des évolutions totalement différentes, rendant toute prédiction impossible ou difficile à long terme. La théorie du chaos a de nombreuses applications : météorologie, <a href="https://www.editions-harmattan.fr/livre-sociologie_et_theorie_du_chaos_damien_lagauzere-9782296044388-24827.html">sociologie</a>, physique, informatique, ingénierie, <a href="https://www.alternatives-economiques.fr/leconomie-decouvre-chaos/00012388">économie</a>, biologie et <a href="https://www.amazon.fr/Th%C3%A9orie-Chaos-philosophie-math%C3%A9matique-sensibilit%C3%A9/dp/3639742702">philosophie</a>.</p>
<p>C’est en voulant prédire le temps qu’il fait grâce à des équations déterministes de la physique que la théorie du chaos est née. Et l’image que l’on en a, popularisée notamment par le film <em>Jurassic Park</em>, est celle du battement d’ailes de papillon capable de provoquer une tornade ailleurs sur le globe.</p>
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<iframe width="440" height="260" src="https://www.youtube.com/embed/3wxQK3lNZVs?wmode=transparent&start=0" frameborder="0" allowfullscreen=""></iframe>
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<h2>L’effet « papillon »</h2>
<p>Bien que le caractère vraisemblablement chaotique de la météorologie fut pressenti par Henri Poincaré, le météorologue Edward Lorenz est néanmoins considéré comme étant le premier à le mettre en évidence, en 1963. La météo est <em>le</em> système dynamique par excellence, prédire le « temps » qu’il fera est un vrai défi. Si on tente de le relever, il faut modéliser le climat à l’aide des équations très compliquées et très lourdes, tirées de la mécanique des fluides et thermodynamique essentiellement. Néanmoins, Lorenz réussit à considérablement <a href="https://journals.ametsoc.org/view/journals/atsc/20/2/15200469_1963_020_0130_dnf_2_0_co_2.xml">simplifier ces équations</a>.</p>
<p>Puis, il décide de faire appel au meilleur ordinateur de son époque pour mener à bien la résolution de ces équations. Il démarre ses équations à partir des « conditions initiales » (valeurs des paramètres des équations à t=0, le début). Il arrête sa simulation, puis la relance en modifiant les conditions initiales : au lieu de reprendre les valeurs de t=0, il prend des données choisies à un autre instant t de sa précédente simulation. Pour Lorenz, cette nouvelle simulation devait être identique à la partie de la simulation précédente qui suivait la valeur t choisie comme condition initiale pour la nouvelle. Or, à sa grande surprise, même si les trajectoires commencent bien de façon identique, elles finissent par se séparer et évoluer de façon complètement différente ! <a href="https://editions.flammarion.com/la-theorie-du-chaos/9782080244987">Les paramètres initiaux</a> t ont donc une influence sur l’évolution du système entier.</p>
<p>En réalité, tout est une question de <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Chiffre_significatif">chiffres « significatifs »</a>, qui indiquent la précision d’un calcul. Par exemple, 4,54 (3 chiffres significatifs) est moins précis que 4,54007 (6 chiffres significatifs). Or, lors de sa seconde simulation, Lorentz avait utilisé non pas la valeur précise de t (avec 6 chiffres significatifs), mais une version arrondie (3 chiffres significatifs seulement), pensant que le faible écart serait insignifiant. Or, ce n’est pas le cas ! On comprend alors son étonnement face à cette évolution.</p>
<p>En 1972, Lorenz fait une conférence à l’American Association for the Advancement of Science, intitulée : « Prédictibilité : le battement d’ailes d’un papillon au Brésil provoque-t-il une tornade au Texas ? », à l’origine de « l’effet papillon ». Pourtant, bien sûr, ce n’est pas un papillon qui cause la tornade : elle serait causée par l’ensemble de l’historique des changements météorologiques. Vu que tous les plus infimes détails comptent de par l’extrême sensibilité aux conditions initiales, c’est l’ensemble de ces paramètres qui va potentiellement créer une tornade. Cette complexité vient donc annihiler toute velléité de prédiction météorologique à long terme. Rappelons également que le modèle de Lorentz est très simplifié, et qu’il est pourtant sujet au comportement chaotique : l’effet est plus important encore avec des modèles plus réalistes et donc plus complexes.</p>
<h2>Attracteur étrange</h2>
<p>On peut d’ailleurs avoir des comportements chaotiques pour des modèles encore plus simples. C’est par exemple le cas de la fonction logistique (aussi appelée <a href="https://journals.openedition.org/msh/2893">Modèle de Verhulst</a>, elle modélise la croissance d’une population animale en dynamique des populations). Vous prenez un nombre x compris entre 0 et 1. Vous retranchez ce nombre à 1 (1-x). Vous multipliez ce nombre par le nombre de départ (soit x(1-x)) et vous multipliez encore le tout par n’importe quel nombre positif a (soit ax(1-x)). Faites cette opération autant de fois que vous voulez : chaque étape sera appelée itération.</p>
<p>Vous ne le soupçonnez peut-être pas, mais la valeur de ce nombre « a » va révéler la nature chaotique de cette opération. Si a est compris entre 0 et 1, au bout de quelques itérations, vous trouverez la valeur 0. Si a est compris entre 1 et 3, vous convergerez vers un nombre, jamais le même, mais un nombre seul (en fait, on peut montrer que l’on converge vers une valeur (a-1)/a). Puis, lorsque a est compris entre 3 et 3,45 vous trouverez au bout d’un certain nombre d’itérations que le résultat oscille entre deux valeurs de manière périodique. Entre 3,45 et 3,54, c’est autour de 4 valeurs, au-delà de 3,54 c’est 8 valeurs, etc.</p>
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<a href="https://images.theconversation.com/files/454775/original/file-20220328-17770-y56aji.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/454775/original/file-20220328-17770-y56aji.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/454775/original/file-20220328-17770-y56aji.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=272&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/454775/original/file-20220328-17770-y56aji.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=272&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/454775/original/file-20220328-17770-y56aji.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=272&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/454775/original/file-20220328-17770-y56aji.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=342&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/454775/original/file-20220328-17770-y56aji.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=342&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/454775/original/file-20220328-17770-y56aji.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=342&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Bifurcations successives de la fonction logistique : la valeur de a permet de comprendre que le chaos est possible à chaque bifurcation sous la forme d’un attracteur qui peut prendre plusieurs valeurs. Le chaos se traduit alors par un très grand nombre de bifurcations. Cadre de droite : agrandissement mettant en évidence l’aspect fractal de la bifurcation.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Waleed Mouhali</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
</figcaption>
</figure>
<p>On obtient ainsi une succession de bifurcations entre les comportements périodiques et le chaos. Cette succession de bifurcation correspondant à la « mise en place » d’une complexité qui se matérialise en chaos en fonction de la nature de l’attracteur. C’est ce que l’on observe pour a=3, une bifurcation vers 2 valeurs (comportement périodique), puis pour a=3,45 deux bifurcations vers 4 valeurs, etc. De bifurcation en bifurcation, les évolutions deviennent de plus en plus complexes. Le processus aboutit, pour a > 3,57 environ, à des systèmes qui ne présentent généralement plus d’attracteurs visibles. Les graphiques représentent alors une évolution « chaotique » au sens usuel du terme.</p>
<p>On comprend alors l’importance de la <a href="https://www.youtube.com/watch?v=3T0T0_0zHNc">notion d’attracteur</a> : un point, une droite ou un espace vers lequel le système évolue de façon irréversible sans perturbations extérieures. Ainsi, la fonction logistique possède :</p>
<ul>
<li><p>un attracteur ponctuel fixe lorsque a est compris entre 0 et 3 ;</p></li>
<li><p>un attracteur possédant une « orbite » périodique pour a compris entre 3 et 3,45 ;</p></li>
<li><p>un attracteur chaotique dit « étrange » car possédant une structure fractale pour a au-delà de 3,45.</p></li>
</ul>
<p>Concernant l’aspect chaotique, l’attracteur étrange n’est ni une courbe, ni une surface, mais un objet fractal, c’est-à-dire un objet qui se répète à l’infini. En zoomant sur une partie, le tout refait son apparition. Il y a « autosimilarité » à toutes les échelles, c’est-à-dire que le même objet est observable même en augmentant l’échelle. On peut l’observer sur le diagramme ci-dessus : par endroit, il y a des bandes blanches qui contiennent les mêmes bifurcations observées au départ. Cela nous donnerait presque l’impression de comprendre une « mécanique du chaos »…</p>
<p>Mais revenons au système de Lorenz. Lorsque les 3 paramètres du modèle prennent certaines valeurs, le système dynamique de Lorenz présente un <a href="https://www.larecherche.fr/les-attracteurs-%C3%A9tranges-texte-int%C3%A9gral">attracteur étrange en forme d’ailes de papillon</a>. Pour presque toutes les conditions initiales choisies par Lorenz, l’orbite du système (c’est-à-dire les trajectoires décrivant toutes les valeurs calculées associées au modèle) s’approche rapidement de l’attracteur, la trajectoire commençant par s’enrouler sur une aile, puis sautant d’une aile à l’autre pour commencer à s’enrouler sur l’autre aile, et ainsi de suite, de façon apparemment erratique.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/453908/original/file-20220323-15901-13itze4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="Schéma d’une courbe s’enroulant sur elle-même pour former grossièrement l’image de deux ailes" src="https://images.theconversation.com/files/453908/original/file-20220323-15901-13itze4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/453908/original/file-20220323-15901-13itze4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=301&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/453908/original/file-20220323-15901-13itze4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=301&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/453908/original/file-20220323-15901-13itze4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=301&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/453908/original/file-20220323-15901-13itze4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=378&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/453908/original/file-20220323-15901-13itze4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=378&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/453908/original/file-20220323-15901-13itze4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=378&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
<figcaption>
<span class="caption">Attracteur étrange de Lorenz en forme d’ailes de papillon.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Waleed Mouhali</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
</figcaption>
</figure>
<p>L’existence d’un attracteur étrange pour certaines valeurs des paramètres a été conjecturée par Edward Lorenz dès 1963 sur la base de simulations numériques. Il a cependant fallu attendre 2001 pour en avoir une <a href="https://link.springer.com/article/10.1007/s002080010018">démonstration rigoureuse</a> par Warwick Tucker. D’autres modèles et leurs attracteurs étranges correspondants existent, mettant ainsi en évidence la profondeur et l’exactitude de la <a href="https://www.youtube.com/watch?v=YrOyRCD7M14">théorie du chaos</a>.</p>
<h2>Le 20ᵉ siècle en sciences ou la fin tragique du déterminisme</h2>
<p>Est-ce que la théorie du chaos a été inventée dans les années 1970 ? Oui et non. Le chaos avait en fait été déjà envisagé, notamment par Poincaré, qui s’était déjà posé la question de la stabilité du Système solaire. Il a ainsi pu montrer que <a href="https://theconversation.com/les-mathematiques-en-partage-le-tokamak-et-la-fin-du-monde-2-54346">3 corps en interaction gravitationnelle sont susceptibles d’être instables</a>. Cependant, pour la communauté scientifique de l’époque, renoncer au déterminisme en sciences s’est avéré trop compliqué.</p>
<p>Finalement, avec la <a href="https://theconversation.com/causalite-quantique-et-si-lordre-des-evenements-disparaissait-a-tres-petite-echelle-161948">physique quantique</a> et le <a href="https://www.youtube.com/watch?v=82jOF4Q6gBU">théorème d’incomplétude de Gödel</a>, la théorie du chaos précipite la chute du déterminisme en sciences. « Un comportement complexe implique des causes complexes », pensait-on. Un dispositif mécanique, un circuit électrique, une population animale, l’écoulement d’un fluide, un organe biologique, un faisceau de particules, un orage, une économie nationale – bref un système qui était visiblement instable, imprévisible ou incontrôlé devait soit être régi par une multitude de composantes indépendantes, soit être soumis à des influences extérieures aléatoires.</p>
<p>Depuis Lorenz, les physiciens, mathématiciens, biologistes et astronomes ont créé de nouveaux concepts, une révolution en fait. Des systèmes simples peuvent engendrer un comportement complexe et des systèmes complexes, un comportement simple.</p>
<p>Théorie du « désordre » ou de la « complexité », il semblerait que là où commence le chaos s’arrête la vision « classique » de la science. Le « chaos » étant devenu objet d’étude, on croit (souvent à tort) le voir partout : des volutes d’une fumée de cigarette au mouvement de l’air lors d’un vol d’avion ; des bouchons sur une autoroute aux écoulements de pétrole dans les pipelines…</p>
<p>Le chaos efface les frontières entre disciplines. Théorie transdisciplinaire ou science de la nature globale des systèmes, le chaos est un <a href="https://theconversation.com/les-limites-de-la-connaissance-en-physique-138327">vrai défi</a> en termes de méthodologie scientifique. Le chaos élimine l’utopie d’une prédictibilité déterministe, mais questionne l’apparition d’un « ordre » dans une complexité peut-être apparente.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/179878/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Waleed Mouhali ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Popularisée par l’image de battements d’ailes d’un papillon déclenchant une tornade, la théorie du chaos étudie le comportement des systèmes dynamiques dépendant de leurs conditions initiales.Waleed Mouhali, Enseignant-chercheur en Physique, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1757072022-02-06T17:57:21Z2022-02-06T17:57:21ZQu’est-ce qu’un algorithme quantique ?<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/444009/original/file-20220202-15-7t9jc6.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C0%2C2048%2C1364&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Intérieur de l'un des ordinateurs quantiques développés par IBM.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/40748696@N07/50252942522">IBM Research/flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/">CC BY-ND</a></span></figcaption></figure><p>Nous le savons toutes et tous, nous vivons une époque scientifique formidable ! Une transition sociétale est en cours, dominée par deux piliers majeurs : les transitions écologiques et numériques. Dans la transition digitale, il va falloir compter avec l’informatique dite « quantique ». Incontournable, on en parle (à juste titre) comme une révolution scientifique et technique et un véritable changement de paradigme. <a href="https://www.youtube.com/watch?v=bayTbt_8aNc">L’ordinateur quantique</a> étant une extension de l’ordinateur « classique », il faut alors reprendre les concepts clés de l’informatique et leur donner leur « version » quantique. Dans cette perspective, il nous faut définir ce qu’est un algorithme quantique.</p>
<h2>L’algorithme classique</h2>
<p>Le mot <a href="https://theconversation.com/quest-ce-quun-algorithme-162896">« algorithme »</a>, un peu employé à tort et à travers ces dernières années, perd un peu de sa substance originelle. D’Euclide à Google en passant par Al-Khwârizmî (du nom duquel le mot algorithme est dérivé), l’algorithme est l’antidote de la résolution d’un problème formulé à l’aide des mathématiques. Dans son <a href="https://www.cs.virginia.edu/%7Erobins/Turing_Paper_1936.pdf">célèbre article de 1936</a>, Alan Turing relie l’algorithmique à la notion de « calculabilité », c’est-à-dire la possibilité de calculer sous la forme d’algorithmes, considérés en conséquence comme de « vrais » objets mathématiques prenant la forme d’une suite finie et non ambiguë d’instructions et d’opérations permettant de résoudre une classe de problèmes.</p>
<p>Un algorithme devient alors une méthode générale pour résoudre un type de problèmes ; et l’informatique théorique devient une branche des mathématiques.</p>
<p>Un certain nombre de qualificatifs permet de caractériser un algorithme : efficacité, performance, complexité. (Nous nous limitons ici à ces quelques notions). L’efficacité est mesurée notamment par sa durée de calcul, sa consommation de mémoire vive (en partant du principe que chaque instruction a un temps d’exécution constant), la précision des résultats obtenus (par exemple avec l’utilisation de méthodes probabilistes), ou encore sa scalabilité (son aptitude à être efficacement parallélisé). Il sera dit performant s’il utilise avec parcimonie les ressources dont il dispose, c’est-à-dire le temps CPU, la mémoire vive et (aspect objet de recherches récentes) la consommation électrique. Enfin, la complexité permet de prédire le temps de calcul nécessaire pour amener un algorithme à son terme, en fonction de la quantité de données à traiter.</p>
<p>On peut essentiellement regrouper les algorithmes en 3 familles :</p>
<ul>
<li>fondamentaux : ils ont des tâches parfaitement bien définies, dont le résultat est facilement vérifiable</li>
</ul>
<figure class="align-right zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/442554/original/file-20220125-23-1naqm5f.gif?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="Animation montrant un algorithme testant plusieurs chemins pour entre plusieurs points et choisissant le plus court" src="https://images.theconversation.com/files/442554/original/file-20220125-23-1naqm5f.gif?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/442554/original/file-20220125-23-1naqm5f.gif?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=471&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/442554/original/file-20220125-23-1naqm5f.gif?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=471&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/442554/original/file-20220125-23-1naqm5f.gif?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=471&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/442554/original/file-20220125-23-1naqm5f.gif?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=591&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/442554/original/file-20220125-23-1naqm5f.gif?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=591&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/442554/original/file-20220125-23-1naqm5f.gif?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=591&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
<figcaption>
<span class="caption">L’algorithme de Dijkstra permet de trouver le chemin le plus court entre les points a et b.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Algorithme_de_Dijkstra#/media/Fichier:Dijkstra_Animation.gif">Ibmua/Wikimedia</a></span>
</figcaption>
</figure>
<ul>
<li><p>optimisation : ils cherchent à identifier des paramètres ou une configuration qui maximise ou minimise une valeur (exemple : recherche d’un chemin le plus court entre deux points)</p></li>
<li><p>cryptographiques : ils sont destinés à garantir la sécurité des communications et transactions</p></li>
</ul>
<p>Avant d’établir l’extension quantique d’un algorithme, rappelons les bienfaits de l’informatique quantique.</p>
<h2>Le principe de l’informatique quantique</h2>
<p>L’informatique classique est fondamentalement basée sur le traitement de signaux binaires, c’est-à-dire basés sur deux états. L’état d’un interrupteur ou d’un bit en mémoire est soit 0 soit 1 : un registre de n bits équivaut donc à n valeurs. L’informatique classique traitera chacune de ces valeurs de façon linéaire, les unes à la suite des autres, cela va donc prendre un certain temps de traitement.</p>
<p>En mécanique quantique, les paradigmes changent profondément. Trois aspects de la mécanique quantique sous-tendent la possibilité de faire de l’informatique quantique : la dualité onde/corpuscule, la superposition d’états et l’intrication.</p>
<p>De par leur nature onde/corpuscule, les particules quantiques sont décrites par des probabilités évoluant dans le temps et dans l’espace. De plus, elles ont la capacité de se trouver dans un état qu’on appelle « superposé » : à la fois un peu 0 et un peu 1. Ainsi, un qubit (la version quantique du bit traditionnel) possède deux états “d’existence”, nommés (par convention et par analogie avec le bit classique) ❘0> et ❘1> (prononcés : ket 0 et ket 1). Alors qu’un bit classique est numérique et a toujours pour valeur soit 0 soit 1, l’état d’un qubit est une superposition quantique linéaire de ses deux états de base (autrement dit, il vaut en même temps ❘0> et ❘1>). Par contre, si on cherche à l’observer, on va alors trouver soit un 0 ou un 1 : l’observation a changé l’état de la particule en choisissant entre les deux. Un qubit observé se conduit dès lors comme un bit classique. Enfin, par l’intrication, on peut faire vivre en « couple » deux particules quantiques et rendre leur état quantique interdépendant. Cela est très utile pour tenter de suivre et comprendre l’évolution d’un qubit.</p>
<p>Avec un registre de n qubits, on a donc en même temps 2<sup>n</sup> valeurs, qui peuvent toutes être stockées simultanément (là où l’informatique classique ne peut stocker qu’une valeur à la fois). Si on arrive à faire des calculs avec de tels supports, on arrive en quelque sorte à faire tous les calculs en même temps, comme si on réalisait 2<sup>n</sup> calculs « en parallèle ». Par exemple, si n=3, un ordinateur quantique aura la possibilité de traiter 8 états quantiques différents, et donc 8 calculs en même temps. Si chaque calcul durait une seconde, un ordinateur quantique n’aurait donc besoin que de 1 seconde pour les réaliser (là où un ordinateur classique aurait eu besoin de 8 secondes, puisqu’il aurait dû traiter chaque calcul l’un après l’autre). (Note : il ne s’agit ici que d’un exemple simplifié visant à illustrer le propos, et pas de calculs ou de fonctionnement réel.)</p>
<figure>
<iframe width="440" height="260" src="https://www.youtube.com/embed/2aCS5mEeiwg?wmode=transparent&start=0" frameborder="0" allowfullscreen=""></iframe>
<figcaption><span class="caption">L’ordinateur quantique se base sur des méthodologies différentes de l’ordinateur classique.</span></figcaption>
</figure>
<p>À la fin, il se peut qu’il n’y ait qu’un seul de ces calculs qui ait réussi, et c’est son résultat qui nous intéresse. La difficulté, c’est de l’isoler. L’art des algorithmes quantiques est donc d’effacer de façon judicieuse tous les calculs qui n’ont pas abouti.</p>
<h2>L’algorithme quantique</h2>
<p>En informatique classique, un programme informatique est constitué d’une suite d’instructions réalisées séquentiellement. Au niveau microscopique, ces instructions résultent du traitement des bits par des portes logiques.</p>
<p>En informatique quantique, les portes deviennent quantiques, ce qui change la nature intrinsèque du traitement des instructions. Il faut alors repenser la nature de la formulation des algorithmes, qui, par extension, deviennent quantiques.</p>
<p>À ce stade, le <a href="https://www.youtube.com/watch?v=Rj3jTw2DxXQ">principe de superposition</a> propre à la physique quantique permet d’appliquer ces différentes étapes à une superposition arbitraire des états de base, voire à leur somme complète. Comme la lecture du registre ne fournit qu’une valeur 0 ou 1 pour chaque bit (pour rappel, un qubit observé se fige dans un état donné et se comporte comme un bit classique), soit un des états de base du registre, tout l’art de l’algorithmique quantique consiste à concentrer l’évolution vers les états donnant une/la solution du problème cherché.</p>
<p>Un ordinateur quantique n’est donc pas uniquement une machine universelle qui résoudrait tous les problèmes plus rapidement qu’un ordinateur conventionnel. Il s’agit plutôt d’une machine capable de résoudre efficacement certains problèmes hors de portée des machines conventionnelles, en utilisant une méthodologie entièrement différente. Le jeu consiste donc à comparer la complexité d’un problème d’un point de vue classique et quantique : si un algorithme peut être résolu de manière classique avec une complexité bien définie, alors il peut aussi l’être dans le modèle quantique avec une complexité équivalente ou moindre.</p>
<p>Les capacités de l’algorithmique quantique sont directement reliées au nombre de qubits… mais pas seulement. Augmenter leur nombre ne sert que si « l’environnement » quantique est maintenu malgré les inévitables processus de décohérence. Une autre <a href="https://www.youtube.com/watch?v=bayTbt_8aNc">particularité du qubit</a> par rapport à un bit classique est qu’il ne peut pas être dupliqué en raison des lois de la physique quantique.</p>
<h2>Quelques algorithmes quantiques célèbres</h2>
<p>Mais quels problèmes intéressants peut-on aborder avec le calcul quantique ? Tous les <a href="https://www.inria.fr/fr/domaines-informatique-quantique">problèmes de prédiction et contrôle de systèmes complexes</a>, comme la <a href="https://singularityhub.com/2016/06/13/how-quantum-computing-can-make-finance-more-scientific/">finance</a>, la <a href="https://www.quantaneo.fr/%E2%80%8BAtos-et-le-CEPMMT-etablissent-un-centre-d-excellence-en-modelisation-meteorologique-et-climatique-pour-soutenir-les_a368.html">météorologie</a>, la santé, l’énergie, mais aussi la physique quantique elle-même !</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="Sorte de pièce montée inversée tombant du plafond, composée de plusieurs étages constitués de cyclindres reliés par des câble. L'ensemble est doré et transparent, et très volumineux." src="https://images.theconversation.com/files/444011/original/file-20220202-21-zozw86.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/444011/original/file-20220202-21-zozw86.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=1130&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/444011/original/file-20220202-21-zozw86.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=1130&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/444011/original/file-20220202-21-zozw86.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=1130&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/444011/original/file-20220202-21-zozw86.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=1421&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/444011/original/file-20220202-21-zozw86.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=1421&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/444011/original/file-20220202-21-zozw86.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=1421&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">L'un des ordinateurs quantiques développés par IBM.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/40748696@N07/23518086798">IBM Research/flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/">CC BY-ND</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>L’<a href="https://arxiv.org/abs/quant-ph/9508027">algorithme de Shor</a>, premier algorithme quantique reconnu comme tel, explique comment factoriser de grands nombres en facteurs premiers de manière efficace. On ne sait pas faire cela avec l’informatique classique. Les algorithmes qu’on connaît prennent un temps exponentiel. D’ailleurs, une grande partie de la cryptographie (très utilisée dans nos vies quotidiennes) est basée sur le fait qu’on ne sait pas factoriser rapidement un nombre premier. Ce problème de factorisation, on arrive à le résoudre dans le modèle quantique avec l’algorithme de Shor. Évidemment, pour que cela devienne réalisable en pratique, il faudrait savoir construire un ordinateur quantique qui manipule quelques milliers de qubits. On n’y est pas encore. L’algorithme de Shor fut utilisé en 2001 par un groupe d’IBM, qui factorisa 15 en 3 et 5, en utilisant un calculateur quantique de 7 qubits ! Récemment, c’est le <a href="https://www.nature.com/articles/s41598-021-95973-w">nombre 21</a> qui a été factorisé sur un processeur quantique d’IBM. Une preuve que l’algorithme fonctionne !</p>
<p>L’<a href="https://arxiv.org/pdf/quant-ph/9711070.pdf">algorithme de Grover</a> est un autre algorithme quantique connu. Il permet de rechercher un ou plusieurs éléments qui répondent à un critère donné parmi N éléments non classés. Le problème se résout avec une complexité moindre qu’un algorithme classique.</p>
<p>La course à l’algorithme quantique est lancée. Et si l’on combine les atouts de l’IA avec la puissance du calcul parallèle quantique (discipline nommée <a href="https://datascientest.com/machine-learning-quantique">Quantum Machine Learning</a>), aura-t-on atteint les limites de la puissance informatique ? Si la question de l’algorithme « intelligent » se résout peu à peu, il restera alors à résoudre la question éthique des algorithmes, afin de quantifier leur impact sociétal et politique.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/175707/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Waleed Mouhali ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Innovation majeure en cours de développement, l’informatique quantique se base sur des algorithmes et des logiques entièrement différents de l’informatique classique.Waleed Mouhali, Enseignant-chercheur en Physique, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1729182021-12-16T20:07:28Z2021-12-16T20:07:28ZQuelle est l’origine du champ magnétique terrestre ?<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/436083/original/file-20211207-159504-bfhk2t.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C0%2C1920%2C1077&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Représentation du champ magnétique terrestre.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/gsfc/7402439760/">NASA Goddard Space Flight Center/Flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span></figcaption></figure><p>Il est surnommé « bouclier terrestre » par les scientifiques. Pour de nombreux animaux migrateurs terrestres ou aquatiques, il est un repère pour les déplacements de grande distance. Il contraint les boussoles à indiquer la même direction tout le temps.</p>
<p>Vous l’avez sans doute reconnu, il s’agit du <em>champ magnétique terrestre</em> (CMT).</p>
<p>La Terre possédait déjà un champ magnétique il y a <a href="https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.1183445?doi=10.1126/science.1183445">3,45 milliards d’années</a>. À cette époque, son intensité n’était que de 50 à 70 % de sa valeur actuelle. Mais dès 3,2 milliards d’années, le champ magnétique terrestre était aussi intense qu’aujourd’hui. Toutefois, il est très compliqué d’avoir des certitudes dans ce domaine. En 2020, un <a href="https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aav9634">travail du MIT</a> contredit ainsi des résultats publiés en 2014, fondés sur la magnétisation de cristaux anciens de zircon et prouvant que le champ magnétique terrestre existait déjà il y a 4,2 milliards d’années.</p>
<p>Bien que les aimants soient connus depuis l’Antiquité, ce sont les Chinois qui, vers l’an 1000-1100, les utilisèrent en premier pour s’orienter : c’est la naissance de la boussole.</p>
<p>La relation entre les aimants et le champ magnétique terrestre fut ensuite découverte en 1600 par William Gilbert, physicien anglais et médecin de la reine Élisabeth I<sup>re</sup> qui publie en 1600 de <em>Magno Magnete Tellure</em> (« Du Grand Aimant de la Terre »). Il démontra comment une boussole placée à la surface d’une <a href="https://www.larecherche.fr/william-gilbert-philosophe-magn%C3%A9tique">boule magnétisée</a> (la terrella) indique toujours le même point, comme elle le fait sur la Terre. Puis, en 1840, le mathématicien et physicien <a href="http://musee-sismologie.unistra.fr/comprendre-le-magnetisme-terrestre/notions-pour-petits-et-grands/les-premieres-mesures-du-champ-magnetique/">Carl Gauss</a> propose l’idée que l’aimant « terrestre » était au centre de la Terre.</p>
<p>Depuis, les progrès scientifiques ont mis en lumière le fonctionnement du champ magnétique terrestre, et son rôle dans les phénomènes électromagnétiques. Pourtant, l’origine du champ magnétique terrestre constitue probablement l’un des problèmes les plus surprenants de la physique moderne. À la question « pourquoi la boussole indique-t-elle le nord ? », la réponse se refuse aux physiciens depuis le XVI<sup>e</sup> siècle. L’hypothèse la plus concluante, celle de la théorie des dynamos auto-excitées, a été introduite pour la première fois par Sir Joseph Larmor en 1919. Elle a résisté aux critiques les plus sévères, mais n’a pas encore pu être appliquée au cas des paramètres terrestres.</p>
<p>À l’ère du calcul scientifique, il peut sembler surprenant que ce modèle de dynamo auto-excitée n’ait pas encore été entièrement modélisé. Les modèles numériques récents permettent certes d’étudier le système complet, mais dans une gamme de régimes de paramètres très éloignée de la réalité physique, en raison de la limitation de la puissance de calcul directement reliée à la complexité mathématique des termes associés aux phénomènes physiques intervenant dans le problème. Les chercheurs travaillent donc au développement de nouvelles approches numériques, plus performantes, ou bien basées sur des modélisations des phénomènes en jeu.</p>
<p>Le champ magnétique terrestre peut être comparé, approximativement, au champ magnétique d’un aimant droit (les aimants collés sur vos réfrigérateurs). Le point central de cet aimant n’est pas exactement au centre de la Terre, il se trouve à quelques centaines de kilomètres du centre géométrique. Le CMT semble toujours dominé par ce dipôle (deux pôles : Nord et Sud) qui s’aligne en moyenne avec l’axe de rotation de notre planète (dipôle axial).</p>
<p>L’ensemble des lignes de champ magnétique de la Terre situées au-dessus de l’ionosphère, soit à plus de 1 000 km, est appelé magnétosphère. L’influence du champ magnétique terrestre, quant à lui, se fait sentir à plusieurs dizaines de milliers de kilomètres.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/436104/original/file-20211207-21-1tuu544.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/436104/original/file-20211207-21-1tuu544.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/436104/original/file-20211207-21-1tuu544.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=491&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/436104/original/file-20211207-21-1tuu544.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=491&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/436104/original/file-20211207-21-1tuu544.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=491&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/436104/original/file-20211207-21-1tuu544.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=616&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/436104/original/file-20211207-21-1tuu544.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=616&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/436104/original/file-20211207-21-1tuu544.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=616&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Le champ magnétique terrestre peut être vu comme celui d’un aimant droit légèrement décalé par rapport à l’axe de rotation de la Terre (pôle Nord géographique). Le Pôle Nord magnétique correspond en fait au pôle sud de l’aimant terrestre.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.shutterstock.com/fr/image-vector/magnetic-fields-earth-showing-north-pole-1726458031">OSweetNature/Shutterstock</a></span>
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</figure>
<p>Même si l’on observe que la boussole indique le Nord magnétique (et donc le pôle sud de l’aimant terrestre…) depuis des centaines de millions d’années, les paléomagnéticiens ont aussi montré que le pôle de l’aiguille aimantée qui pointe vers le Nord magnétique est tantôt le nord, comme aujourd’hui, tantôt le sud.</p>
<p>Le champ magnétique terrestre s’est en effet <a href="https://www.science.org/doi/10.1126/science.abb8677">inversé</a> plus de 100 fois au cours de 50 derniers millions d’années, et la <a href="https://www.futura-sciences.com/planete/actualites/terre-il-y-42000-ans-inversion-champ-magnetique-terre-change-notre-histoire-85901/">dernière inversion</a> date de 42 000 ans.</p>
<h2>Origine(s) du champ magnétique : l’effet dynamo</h2>
<p>Le champ magnétique terrestre est engendré par les mouvements complexes de fluide (nommés convection) dans le noyau externe de notre planète. Ledit noyau externe est en effet un véritable <a href="https://www.pourlascience.fr/sd/geosciences/un-jet-stream-de-fer-dans-le-noyau-terrestre-12498.php">océan de métal en fusion</a> (notamment du fer et du nickel), situé entre la graine de fer solide de 1 220 km de rayon et le bas du manteau à 3 500 km de rayon.</p>
<p>La convection est sans doute solutale (due à des différences par endroit de concentration) plutôt que thermique (due à des différences par endroit de température), et intimement liée à la <a href="https://www.pourlascience.fr/sd/geosciences/le-moteur-de-la-dynamo-terrestre-3088.php">croissance du noyau interne</a> : le fer-nickel solide étant moins riche en éléments dissous que le liquide, la cristallisation de ce liquide enrichit la base du noyau externe en éléments dissous ; ces éléments étant plus légers que le fer et le nickel, le liquide métallique profond tend à remonter sous l’effet de la poussée d’Archimède.</p>
<p>Le noyau interne est cependant trop jeune (son âge est estimé entre 165 millions et 2,5 milliards d’années, une <a href="https://www.nature.com/articles/s41561-018-0288-0">estimation récente</a> penche pour 1,3 milliard d’années) pour que le mécanisme ci-dessus ait pu fonctionner il y a plus de 1,5 milliard d’années. Un autre processus de convection solutale aurait alors été l’exsolution (c’est-à-dire la séparation d’un constituant homogène en plusieurs constituants distincts sans changer la composition globale du mélange) <a href="https://www.pourlascience.fr/p/articles-fond/dossier-dans-les-profondeurs-des-planetes-le-moteur-de-la-dynamo-terrestre-2531.php">d’oxyde de magnésium (MgO)</a>, due au refroidissement progressif du noyau (alors entièrement liquide). L’oxyde de magnésium est en effet soluble dans le fer liquide à très haute température.</p>
<p>Pour comprendre la dynamo terrestre, il faut également pouvoir identifier ce qui relie rotation de la Terre sur elle-même et champ magnétique. En l’absence de champ magnétique, on sait que la force de Coriolis (la force responsable de ce pas hésitant lorsque vous marchez dans un manège qui tourne) contraint les écoulements (ici les fluides) à s’organiser en <a href="https://www.futura-sciences.com/planete/dossiers/climatologie-cyclone-ouragan-typhon-sont-ils-573/page/4/">cyclones et anticyclones</a> – comme dans l’atmosphère – et s’oppose à toute variation le long de l’axe de rotation, conduisant la convection du noyau à s’organiser en immenses colonnes parallèles à l’axe de rotation.</p>
<p>La force de Coriolis engendre donc un enroulement de la matière sous forme de tourbillons. À cause de la prédominance de la force de Coriolis, ces tourbillons s’alignent selon l’axe de rotation de la Terre. Le frottement visqueux entre le fluide du noyau externe et la frontière solide du manteau provoque quand à lui un écoulement secondaire localisé qui donne un « sens » d’entraînement aux tourbillons.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/436106/original/file-20211207-140895-fjimir.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/436106/original/file-20211207-140895-fjimir.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/436106/original/file-20211207-140895-fjimir.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=603&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/436106/original/file-20211207-140895-fjimir.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=603&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/436106/original/file-20211207-140895-fjimir.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=603&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/436106/original/file-20211207-140895-fjimir.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=758&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/436106/original/file-20211207-140895-fjimir.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=758&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/436106/original/file-20211207-140895-fjimir.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=758&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Schéma montrant la relation entre le mouvement du fluide conducteur (organisé en rouleaux par la force de Coriolis) et le champ magnétique que le mouvement génère.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e9/Dynamo_Theory_-_Outer_core_convection_and_magnetic_field_geenration.svg">Andrew Z. Colvin/Wikimedia</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">CC BY-SA</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Lorsque les mouvements de convection sont suffisamment vigoureux, l’instabilité dynamo (une « augmentation » spontanée de champ magnétique avec le temps) se déclenche et produit un champ magnétique dont la géométrie dépend naturellement de celle des mouvements qui lui donnent naissance. <a href="https://hal.inria.fr/ensl-00180607/">Le champ croît</a> jusqu’à ce que les forces de Laplace (forces d’origine magnétique) viennent concurrencer la force de Coriolis.</p>
<p>Ce n’est que très récemment que ce scénario a reçu l’appui de simulations numériques complètes. Le champ magnétique produit par ces dynamos numériques est dominé par un dipôle aligné avec l’axe de rotation. Les simulations produisent un champ magnétique qui ressemble à s’y méprendre à celui de la Terre et plusieurs présentent même des inversions spontanées.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/435906/original/file-20211206-15-2sdjeq.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/435906/original/file-20211206-15-2sdjeq.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=321&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/435906/original/file-20211206-15-2sdjeq.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=321&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/435906/original/file-20211206-15-2sdjeq.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=321&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/435906/original/file-20211206-15-2sdjeq.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=403&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/435906/original/file-20211206-15-2sdjeq.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=403&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/435906/original/file-20211206-15-2sdjeq.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=403&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Premières simulations de champ magnétique terrestre par l’équipe de G. Glatzmaier avant et après inversion du CMT. Les courbes sont des lignes de champ magnétique, bleues quand elles vont en direction du centre et jaunes lorsqu’elles s’en éloignent. L’axe de rotation de la Terre est centré et vertical.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Geodynamo-Before-And-In-Reversal.png">Gary A. Glatzmaier & MikeRun/Wikimedia</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Pourtant, de nombreuses questions se posent : quel rôle jouent les petites échelles de l’écoulement et du champ magnétique, que l’on ne peut pas modéliser ? Ne dominent-elles pas la dissipation ? Quelle est alors la puissance nécessaire pour faire marcher la dynamo terrestre ? Au cours de son histoire, la Terre a-t-elle toujours disposé d’une puissance suffisante pour entretenir sa dynamo ? Même avant que ne démarre la cristallisation de la graine solide, qui procure aujourd’hui l’essentiel des forces d’Archimède qui nourrissent la convection ? Pourquoi <a href="https://webtv.univ-lille.fr/video/10055/le-magnetisme-de-la-terre-et-des-autres-planetes">Vénus</a> n’a-t-elle pas de dynamo ?</p>
<p>Quoi qu’il en soit, alors que le <a href="https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/soleil-nouveau-cycle-solaire-pourrait-etre-plus-intense-jamais-observe-84601/">cycle solaire 25</a> du Soleil promet d’être très intense (ce cycle de 11 ans qui caractérise l’activité solaire a débuté en décembre 2019), nous pouvons compter sur notre cher champ magnétique terrestre pour nous protéger. Et si jamais les éruptions solaires venaient à nous priver de nos satellites pour nous repérer, il ne nous resterait plus qu’à compter sur ce bon vieux CMT pour nous guider. En espérant que l’inversion des pôles <a href="https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/faut-il-s-inquieter-de-l-inversion-magnetique-des-poles_130996">ne nous déboussole pas</a> pour autant !</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/172918/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Waleed Mouhali ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Bien qu’on utilise ses caractéristiques depuis plus de 1 000 ans, les modélisations de l’origine du champ magnétique terrestre se heurtent toujours à sa complexité.Waleed Mouhali, Enseignant-chercheur en Physique, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1651292021-11-23T20:06:21Z2021-11-23T20:06:21ZDe l’oxyde de graphène pour les nouvelles générations de batteries et supercondensateurs<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/417374/original/file-20210823-13-169glm4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=11%2C7%2C1585%2C1190&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Une goutte d’eau contenant de l’oxyde de graphène sèche, révélant des motifs et couleurs oniriques.</span> <span class="attribution"><span class="source">François Muller</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span></figcaption></figure><p>Ces beaux motifs mordorés sont apparus quand j’ai posé une goutte d’eau contenant de l’oxyde de graphène sous un microscope optique, alors que l’eau s’évaporait.</p>
<p>En faisant cela, je contribue à développer de nouvelles applications à base de graphène : des batteries, des « supercondensateurs » (des dispositifs qui permettent de charger et décharger très rapidement une forte puissance électrique en comparaison aux batteries) ou encore des détecteurs de molécules spécifiques.</p>
<p>Sur la gauche de l’image, on observe des structures sombres « dendritiques », ressemblant à des troncs et des branches, qui sont composées d’oxyde de graphène. L’eau ne s’est pas évaporée de façon homogène sur toute la surface, on parle de « démouillage partiel ». Cette zone est plus vers l’extérieur de la goutte.</p>
<p>Le séchage progresse ensuite vers le centre, la structure devient dense et l’on observe une zone sombre, pleine d’oxyde de graphène.</p>
<p>L’oxyde de graphène s’étant tellement aggloméré vers les bords de la goutte qu’il n’en reste plus au centre : à la fin du séchage, il ne reste qu’une petite goutte d’eau qui contient très peu d’oxyde de graphène. C’est le cercle clair central sur l’image, qui est tacheté : seuls de petits agrégats d’oxyde de graphène se sont déposés sur la surface aux derniers instants du séchage.</p>
<p>Si nous revenons avec un œil exercé sur la zone sombre entre les dendrites et le cercle central, on voit que la couleur n’est pas homogène. On observe des zones tirant vers le vert et d’autres tirant vers le marron… ainsi que quelques points noirs épars à travers lesquels la lumière ne passe pas.</p>
<p>Ces <a href="https://theconversation.com/dou-viennent-les-merveilleuses-couleurs-des-papillons-152836">« couleurs structurales »</a>, également appelées « couleurs physiques », sont créées par divers phénomènes optiques. Ce sont par exemple les <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Interf%C3%A9rence">interférences de film mince</a>, comme celles que l’on observe sur une flaque d’huile sur un sol mouillé. Ces couleurs montrent que cette zone n’a pas une épaisseur constante, et surtout qu’elle n’est pas plate, mais pour le moins rugueuse.</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/dou-viennent-les-merveilleuses-couleurs-des-papillons-152836">D’où viennent les merveilleuses couleurs des papillons ?</a>
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<h2>Pourquoi étudier le séchage de goutte d’oxyde de graphène ?</h2>
<p>Comprendre les multiples hétérogénéités dans le film sec d’oxyde de graphène est important pour développer des applications à base de graphène par voie de <a href="https://lejournal.cnrs.fr/articles/la-chimie-douce-naturellement-creative">chimie douce</a> et à bas coût.</p>
<p>Le graphène conduit très bien l’électricité, mais il n’est pas forcément aisé à manipuler. On peut donc utiliser de l’oxyde de graphène : du graphène en feuillets d’une dizaine de nanomètres de long à quelques micromètres, qui peuvent être dispersés dans l’eau grâce à la présence d’atomes d’hydrogène et d’oxygène à la surface des feuillets. Le désavantage est que ces atomes réduisent la conductivité électrique d’un facteur mille par rapport au graphène pur – il faut effectuer une thermolyse, au four ou avec un laser par exemple, pour la retrouver partiellement.</p>
<p>Nous cherchons à optimiser les électrodes à base de graphène/oxyde de graphène dans les dispositifs de stockage d’énergie tels que les <a href="https://www.techno-science.net/actualite/graphene-ponte-ameliorer-performances-super-condensateurs-N18713.html">super-condensateurs</a>.</p>
<p>Pour cela, il est important de comprendre comment les gouttes contenant de l’oxyde de graphène sèchent. En effet, dans un supercondensateur, l’électrode est en contact avec un liquide (ou un gel) : l’« électrolyte ». La qualité de la charge et de la décharge du condensateur dépend de la qualité de l’interface entre l’électrode et l’électrolyte (il ne faut pas trop d’hétérogénéités).</p>
<p>Les supercondensateurs peuvent être chargés et déchargés jusqu’à 1 000 fois plus rapidement que les batteries conventionnelles telles que les batteries Li-ions avec une durée de vie (nombre de cycles charge/décharge) aussi de 1 000 fois plus longue <a href="https://www.nature.com/articles/ncomms2446.pdf">sans pertes de performances</a>.</p>
<p>Dans l’équipe <em>Nanosciences et Nanotechnologies</em> du département de recherche de <a href="https://www.ece.fr/ecole-ingenieur/">l’ECE Paris</a>, nous étudions ces dispositifs de stockage d’énergie composés par des électrodes <a href="https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01799639,https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-03329635v1">à base d’oxyde de graphène et de liquides ioniques pour l’électrolyte</a>.</p>
<p>Le séchage de gouttes sur des substrats ou <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1388248120302186">« drop casting »</a>, est une technique simple, facile et rapide pour préparer une surface et modifier ses propriétés en y déposant des feuillets d’oxyde de graphène à partir de dispersions aqueuses. Comprendre les structures obtenues lors du séchage, comme sur la photo, ainsi que les phénomènes physiques sous-jacents est devenu indispensable avec le développement des technologies d’impression d’<a href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ie502675z">encres contenant du graphène</a>, et notamment des encres à base d’eau (plus « vertes ») contenant de l’oxyde de graphène.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/165129/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>François Muller ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Comprendre le séchage de gouttes de composés du graphène est central pour développer des procédés de chimie douce et à bas coût.François Muller, Enseignant-Chercheur ECE en Physique. Recherche en nanosciences et nanotechnologies, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1692982021-10-21T21:31:23Z2021-10-21T21:31:23Z¿Cómo se agarran los mejillones a las rocas?<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/424762/original/file-20211005-25-1r0ew5w.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C18%2C2447%2C1685&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Los mejillones se adhieren fuertemente a las rocas con el potente pegamento que producen.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.shutterstock.com/fr/image-illustration/mussels-seafood-on-beach-illustration-black-1688343217">Kristen Sadler / Shutterstock</a></span></figcaption></figure><p>Los mejillones son un marisco muy común, barato de criar y delicioso de comer. Nos resulta tan familiar que uno podría pensar que no puede guardar ninguna sorpresa. Pero es un animal mucho más sorprendente de lo que parece, un sutil ingeniero de la adhesión y los materiales. Es un molusco con una concha formada por dos valvas articuladas. En su interior, el mejillón no tiene una cabeza diferenciada, pero sí un pie que puede salir por la abertura de la concha para desplazarse.</p>
<p>Es un pequeño animal que se alimenta de organismos microscópicos suspendidos en el agua. Es muy sensible a la composición de su entorno: es un excelente sensor de contaminación. Suelen vivir en zonas sometidas a mareas o corrientes: es fundamental que estén bien amarrados a las rocas u otras superficies fijas para evitar que se rompan. Para agarrarse, el mejillón no puede utilizar los mismos mecanismos de adhesión que en un sustrato seco, ya que se encuentra en su mayor parte bajo el agua –y muy salada– y su pie único no es suficiente para mantenerse estable. Así que produce su propio pegamento.</p>
<p>Lo hace bastante bien, ya que este pegamento es el más fuerte conocido en nuestro planeta. Se adhiere a todas las superficies posibles, en todas las posiciones posibles. Se encuentra al final de lo que se llama el biso del mejillón. Este biso es como el ancla de un barco: está el ancla propiamente dicha (la cola) y la cadena, que en el caso del mejillón está formada por filamentos no pegajosos que son una seda como los hilos de la araña o la de los gusanos de seda. Se pueden utilizar para hacer ropa. Tal vez ya los haya visto: son los filamentos que se desprenden del mejillón al limpiarlo tras la pesca y que los cocineros llaman “barba”.</p>
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<a href="https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=470&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=470&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=470&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=591&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=591&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=591&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Dos mejillones unidos por un fino filamento de bisoñé olvidado durante la limpieza. Incluso después de la cocción, el filamento soporta sin problemas el peso del mejillón al que está pegado; puede balancearse sin caerse.</span>
<span class="attribution"><span class="license">Author provided</span></span>
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<p>Pero hablemos de su extraordinario pegamento: ¿cómo lo crea exactamente el mejillón? Este bivalvo adopta un proceso de dos etapas. En primer lugar, produce una espuma líquida de proteína: básicamente, babea la proteína en el agua haciendo burbujas de aire. Esto es lo que formará el material básico de su futuro pegamento.</p>
<p>Al entrar en contacto con la superficie, el mejillón inyecta un coagulante que producirá el pegamento. A continuación, el animal se ancla fuertemente a la superficie. Puede resistir casi todo. Además de su increíble pegajosidad, si se tira de él, no se rompe. Su estructura es una auténtica obra maestra de la ingeniería que le permite deformarse sin romperse.</p>
<p>Esta característica fue totalmente inesperada. Fue una revelación para… arquitectos e ingenieros de construcción. Sorprendentemente, la estructura mecánica de los innovadores edificios antisísmicos se inspira en la estructura molecular del pegamento del mejillón.</p>
<p>El mayor interés despertado por el biso y su pegamento ha sido en el campo de la medicina. Su cuerpo está compuesto por un 75 % de agua, y al tener un pegamento no tóxico, resistente y ultrafuerte, incluso en agua salada, es ideal para fijar implantes –incluso dentales–, para suturar lesiones internas o cicatrices… La paradoja de este pegamento natural es que es difícil de manejar porque es demasiado efectivo… ¡se pega en exceso!</p>
<p>Los investigadores e ingenieros han desarrollado colas artificiales utilizando el mismo coagulante que el mejillón. Estos tienen menos propiedades, pero son suficientes. Sin embargo, en un momento en el que intentamos reducir nuestra huella energética en la Tierra, y cuando conocemos todas las cualidades del biso natural, es frustrante no utilizarlo. </p>
<p>El consumo de este bivalvo en el mundo es de unos 2 000 millones de kilogramos al año. Alrededor del 85 % de estos mejillones se producen en granjas. ¿Y qué se hace con todo el biso producido? Nada, es un desperdicio. Una hermosa seda y su fantástico pegamento se desechan por toneladas. Debe haber una manera de utilizar todo este increíble material natural que estos pequeños ingenieros han producido tan graciosamente.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/169298/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Anniina Salonen ha recibido financiación de ANR, CNES, ESA, Paris Saclay, Labex PALM, Nestlé.</span></em></p><p class="fine-print"><em><span>François Muller ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Estos bivalvos fabrican el pegamento más potente del mundo, una auténtica obra de ingeniería que se deforma sin romperse y que ha servido de inspiración a arquitectos, científicos y médicos.François Muller, Enseignant-Chercheur ECE en Physique. Recherche en nanosciences et nanotechnologies, ECE ParisAnniina Salonen, enseignante-chercheuse, Université Paris-SaclayLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1651992021-10-05T19:21:13Z2021-10-05T19:21:13ZEleonor : « Comment les moules tiennent à leur rocher ? »<p>La moule est un fruit de mer très commun, pas cher à élever et délicieux à déguster. Elle nous semble tellement connue que l’on peut penser qu’elle ne peut pas réserver de surprises. Mais c’est un animal beaucoup plus étonnant qu’il n’y parait, une subtile ingénieure de l’adhésion et des matériaux. C’est un mollusque qui a une coquille formée de deux valves articulées. A l’intérieur, la moule n’a pas de tête différenciée mais elle a un pied pouvant sortir par l’entrebâillement de la coquille pour se mouvoir.</p>
<p>C’est un animal de petite taille se nourrissant d’organismes microscopiques en suspension dans l’eau. Elle est très sensible à la composition de son environnement : c’est un excellent capteur de pollution. Elle vit généralement dans des zones soumises aux marées ou aux courants : il est vital pour elle d’être bien amarrée sur les rochers ou une autre surface fixe pour ne pas être brisée. Pour s’accrocher, la moule ne peut pas faire appel aux mêmes mécanismes d’adhésion qu’en situation « sèche » puisqu’elle est la plupart du temps sous l’eau – fortement salée de surcroît – et que son unique pied n’est pas suffisant pour la maintenir stable. Alors elle produit elle-même sa propre colle.</p>
<p>Elle y réussit plutôt bien puisque cette colle est la plus forte connue sur notre planète ! Elle colle sur toutes les surfaces possibles, dans toutes les positions. Elle se trouve à l’extrémité de ce qui est appelé byssus de la moule. Ce byssus est comme l’ancre d’un bateau : il y a l’ancre elle-même (la colle) et la chaîne, qui chez la moule, est constituée de filaments non collants qui sont une soie au même titre que les fils de l’araignée ou celle des vers à soie des mûriers. On peut en faire des vêtements. Peut-être tu en as déjà vu : ce sont les filaments que l’on enlève de la moule lorsqu’on la nettoie une fois pêchée et que les cuisiniers appellent « barbe ».</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=470&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=470&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=470&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=591&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=591&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/424751/original/file-20211005-15-17lw9y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=591&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Deux moules reliées par un mince filament de byssus oublié lors du nettoyage. Même après cuisson, le filament supporte sans soucis le poids de la moule sur laquelle il est collé. Celle-ci peut se balancer sans tomber.</span>
<span class="attribution"><span class="license">Author provided</span></span>
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<p>Mais reparlons plutôt de son extraordinaire colle : comment la moule s’y prend-elle exactement pour la créer ? La moule adopte une fabrication différée en deux étapes. Elle produit d’abord une mousse liquide de protéine : grosso modo, elle bave les protéines dans l’eau en faisant des bulles d’air ! C’est cela qui va constituer le matériel de base de sa future colle.</p>
<p>Lorsqu’elle est bien en contact avec la surface, la moule injecte alors un coagulant qui va fabriquer la colle. La moule est alors ancrée sur la surface de manière redoutable. Elle résiste pratiquement à tout ! En plus de son incroyable pouvoir collant, si tu t’amuses à tirer dessus elle ne se cassera pas. Sa structure est un véritable chef-d’œuvre d’ingénierie qui lui permet de se déformer sans casser.</p>
<p>Cette particularité était totalement inattendue ! Cela a été une révélation pour… les architectes et les ingénieurs du bâtiment. Et oui ! C’est surprenant mais la structure mécanique des bâtiments innovants résistants aux tremblements de terre est inspirée de la structure moléculaire de la colle de la moule !</p>
<p>C’est pour la médecine que l’on s’est intéressé le plus au byssus et à cette colle. Ton corps étant composé de 75 % d’eau, posséder une colle non toxique, résistante et ultra forte même dans l’eau salée, est idéale afin de fixer des implants – même dentaires – de suturer des lésions internes ou des cicatrices… Le paradoxe de cette colle naturelle est qu’elle est difficile à manipuler car elle est trop efficace… elle colle trop !</p>
<p>Les chercheurs et les ingénieurs développent alors des colles artificielles en utilisant le même coagulant que la moule. Celles-ci ont des propriétés moindres mais suffisantes. Néanmoins, à l’heure où l’on cherche à réduire notre empreinte énergétique sur Terre, et que l’on connaît toutes les qualités du byssus naturel, il est frustrant de ne pas l’utiliser. La consommation de moules dans le monde est d’environ 2 milliards de kilogrammes par an. À peu près 85 % de ces moules sont produites dans des élevages. Et que fait-on de tout le byssus produit ? Rien, c’est un déchet ! Et oui, une belle soie et sa colle fantastique sont rejetées par tonnes. Il doit y avoir un moyen à trouver pour utiliser tout ce matériau naturel incroyable gracieusement fabriqué par ces ingénieuses ingénieures.</p>
<hr>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption"></span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.dianerottner.com/">Diane Rottner</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span>
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<p><em>Si toi aussi tu as une question, demande à tes parents d’envoyer un mail à : <a href="mailto:tcjunior@theconversation.fr">tcjunior@theconversation.fr</a>. Nous trouverons un·e scientifique pour te répondre</em>.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/165199/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Anniina Salonen a reçu des financements de l'ANR, CNES, ESA, Paris Saclay, Labex PALM, Nestlé. </span></em></p><p class="fine-print"><em><span>François Muller ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Saviez-vous que les moules sont capables de produire la colle la plus puissante du monde ?François Muller, Enseignant-Chercheur ECE en Physique. Recherche en nanosciences et nanotechnologies, ECE ParisAnniina Salonen, enseignante-chercheuse, Université Paris-SaclayLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1644232021-08-24T18:52:57Z2021-08-24T18:52:57Z¿Cómo se forman los atascos?<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/414176/original/file-20210802-18-2ncsqs.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C0%2C1400%2C987&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Atascos, la alegría de las vacaciones.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.shutterstock.com/es/image-vector/car-traffic-jam-vector-illustration-many-74043355">Robodread/Shutterstock</a></span></figcaption></figure><p>Entre los muchos recuerdos del verano que retenemos en la memoria figuran el mar, la montaña… pero también los atascos. ¿Por qué es imposible avanzar, si no es de forma intermitente, aunque no se vislumbren peajes ni accidentes en el horizonte?</p>
<p>Los atascos tienen muchas consecuencias económicas, sociales, logísticas, sanitarias y medioambientales. En agosto de 2010, un atasco de 100 kilómetros en Pekín duró 12 días. Fue provocado por los camiones que traían materiales para la autopista G110. Un estudio realizado por un instituto de investigación estadounidense y una empresa de información sobre el tráfico <a href="https://cebr.com/reports/the-future-economic-and-environmental-costs-of-gridlock/">demostró en 2013</a> que los atascos pueden llegar a costar mil millones de euros cada año. Además, un atasco es una fuente importante de contaminación atmosférica.</p>
<p>¿Cómo se forma un atasco? ¿Cómo se puede evitar? ¿Qué puede hacer la ciencia al respecto?</p>
<h2>Un ejemplo para entender el fenómeno</h2>
<p>En caso de tráfico denso, cuando un conductor cambia de carril, el vehículo que le sigue debe frenar y esta ola de frenado se extiende gradualmente. Si el primer vehículo ha reducido su velocidad en un 10 %, el décimo vehículo habrá reducido su velocidad en al menos un 20 % por razones de seguridad (manteniendo la distancia de frenado), pero también por autoconservación. Tanto es así que, tras varios kilómetros, se creará inevitablemente un atasco. Este fenómeno se denomina “efecto mariposa” o “efecto oruga”: una pequeña causa provoca una reacción mucho mayor al final de la cadena.</p>
<p>Si los primeros vehículos que han disminuido la velocidad se han visto ligeramente afectados por el atasco y han recuperado rápidamente su velocidad de crucero, los que vienen a continuación tardarán algún tiempo en conseguir salir de esta situación. Esta es la definición misma de atasco de acordeón.</p>
<figure> <img src="https://1.bp.blogspot.com/-5HvjMIalnXk/WT6UwyxWLAI/AAAAAAAAKkY/TT0xmv-XgXMDlYjtnGrykI1474SYU-OwQCLcB/s1600/bouchon.gif"><figcaption>Animación de la formación de un atasco por efecto oruga.</figcaption></figure>
<p>El mencionado cambio de carril es solo un ejemplo de los muchos que pueden explicar la creación de un atasco sin motivo aparente. Los diferentes patrones de conducción de un individuo a otro, los carriles de inserción de vehículos o, incluso, simplemente el efecto curiosidad <a href="https://revista.dgt.es/es/sabia-que/curiosidades/2018/1213-Que-es-el-efecto-acordeon.shtml">pueden causar</a> interrupciones del tráfico.</p>
<h2>Una analogía para entender el fenómeno</h2>
<p>Para estudiar los atascos, utilizamos modelos de la mecánica de fluidos o de la física de los medios granulares. La versatilidad de los modelos físicos es tal que se puede utilizar la misma ecuación <a href="https://theconversation.com/the-maths-of-congestion-springs-strings-and-traffic-jams-41684">para modelar a priori diferentes fenómenos</a>. El flujo de coches puede imaginarse como un líquido que fluye por una tubería, o unas canicas que ruedan por un tobogán. Si una de las canicas sufre una ralentización en un punto de la tubería, afecta a todas las canicas precedentes; la perturbación se propaga hacia atrás, como una onda. Esto es lo que ocurre en los atascos.</p>
<p>¿Cómo se forma, propaga y amplifica esta desaceleración? Para responder a esta pregunta debemos recurrir a los modelos matemáticos de la mecánica. Aquí se utilizan parámetros estables para modelar el sistema, como la velocidad autorizada, la velocidad a la que se propaga un atasco y el número máximo de coches que puede albergar el carril.</p>
<p>Para reproducir satisfactoriamente el fenómeno de la formación de atascos, los factores clave son el flujo de tráfico inicial, la tendencia de los conductores a “sobrerreaccionar” y a reaccionar tarde.</p>
<p>De forma contraintuitiva, la velocidad de los vehículos y la densidad del tráfico no tienen prácticamente ningún impacto, excepto en los casos límite. El sistema puede degenerar rápidamente: una perturbación muy pequeña afecta a todo el sistema. Esta perturbación puede ser un conductor nervioso, un giro brusco, una anomalía en la carretera, etc. Un solo conductor puede crear un atasco.</p>
<p>Conclusión: en la medida de lo posible, evite reaccionar de forma exagerada o, peor aún, detenerse por completo. Es mejor conducir a 1 km/h que tener que detener el vehículo. Al hacerlo, la amplitud de la onda se reduce y su longitud de onda aumenta. Otra recomendación: equipar los coches con reguladores especialmente adaptados a las condiciones de tráfico lento.</p>
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<a href="https://images.theconversation.com/files/414181/original/file-20210802-20-dgttou.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/414181/original/file-20210802-20-dgttou.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/414181/original/file-20210802-20-dgttou.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=401&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/414181/original/file-20210802-20-dgttou.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=401&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/414181/original/file-20210802-20-dgttou.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=401&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/414181/original/file-20210802-20-dgttou.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=503&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/414181/original/file-20210802-20-dgttou.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=503&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/414181/original/file-20210802-20-dgttou.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=503&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
<figcaption>
<span class="caption">En un atasco es mejor no detener el vehículo.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/gaspars/433856785/">Gaspar Serrano/Flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span>
</figcaption>
</figure>
<h2>Soluciones y paradojas</h2>
<p>Durante las grandes salidas de vacaciones, los atascos son inevitables. Las carreteras solo son capaces de absorber un determinado número de vehículos por hora. A partir de un determinado caudal, el flujo de tráfico disminuye hasta detenerse por completo.</p>
<p>¿Podemos predecir los atascos? Lamentablemente no. La visualización de las ondas en tiempo real y a gran escala es casi imposible… Además, si bien el movimiento de los fluidos, regido por leyes físicas, es bastante estable, los comportamientos humanos siguen siendo imprevisibles.</p>
<p>Así que, para regular el tráfico, podemos actuar según ciertos parámetros. Por ejemplo, el límite máximo de velocidad puede modificarse, incluso de forma puntual. En una carretera con varios puntos de acceso, se pueden instalar semáforos para variar la densidad de las nuevas llegadas. Además, el sentido común podría llevar a añadir carreteras. Pero no es tan sencillo: en Stuttgart, a finales de los años sesenta, unas grandes obras de ampliación de una carretera crearon atascos monstruosos, lo que provocó el cierre del flamante tramo.</p>
<p>La ciencia ha demostrado, incluso, que una autopista puede reducir la velocidad media del tráfico. Se trata de la <a href="https://es.wikipedia.org/wiki/Paradoja_de_Braess">paradoja de Braess</a> desarrollada por el matemático del mismo nombre. Básicamente, si la ciudad decide construir una nueva carretera (llamémosla A) que es mucho más rápida que las existentes (llamadas B y C), todos los conductores optarán por la solución A. Se forma un atasco y, al final, los conductores tardan más en utilizar la ruta A que en dividirse en las rutas B y C. Su teoría se ha confirmado desde entonces. En 1990, el gobierno de Nueva York cerró la calle 42: el tráfico en Manhattan se hizo más fluido. En Seúl, la destrucción de una autopista ha mejorado el flujo del tráfico en general.</p>
<p>De hecho, los automovilistas tienen un comportamiento egoísta, y están permanentemente sometidos a un conflicto de interés individual/interés colectivo.</p>
<p>Así pues, recordemos las recomendaciones científicas para evitar los atascos:</p>
<ul>
<li><p>Aumentar las distancias de seguridad para evitar frenadas intempestivas que provoquen ralentizaciones en caso de tráfico intenso.</p></li>
<li><p>Disminuir la velocidad global manteniendo una velocidad relativamente constante.</p></li>
<li><p>No cambiar de carril sin detenerse, estar atento, saber relajarse para mantener un estilo de conducción normal.</p></li>
</ul>
<h2>Biomimetismo y atascos</h2>
<p>Como hemos visto, los atascos están relacionados con demasiados individuos moviéndose en el mismo espacio. Sin embargo, los movimientos de las grandes colonias de hormigas <a href="https://elifesciences.org/articles/48945">no tienen este problema</a>. En efecto, en las hormigas, cuando la densidad aumenta, el flujo se incrementa y luego se vuelve constante. Con los seres humanos ocurre lo contrario: a partir de un determinado umbral de densidad, disminuyen su velocidad hasta tener un flujo nulo y provocar un atasco. </p>
<p>En caso de una densidad demasiado alta, las hormigas no se incorporan al camino, sino que esperan. La elección está condicionada por la adaptación continua a estas reglas tácitas del movimiento. En cambio, el tráfico de automóviles sigue las normas impuestas, como la de detenerse ante un semáforo en rojo, independientemente del tráfico.</p>
<p>Los sistemas de transporte inteligentes pueden inspirarse en la constante adaptabilidad de las hormigas. La conducción autónoma <a href="https://theconversation.com/los-vehiculos-autonomos-y-compartidos-nos-ahorraran-tiempo-dinero-y-emisiones-estamos-preparados-160938">respondería al reto de la fluidez del tráfico</a>, podría hacer que fuera más uniforme, reducir los errores humanos de apreciación y permitir tiempos de viaje optimizados.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/164423/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Waleed Mouhali ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Modelos y paradojas matemáticas para entender mejor los atascos y cómo evitarlos.Waleed Mouhali, Enseignant-chercheur en Physique, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1639942021-07-08T17:51:09Z2021-07-08T17:51:09ZComment se forment les embouteillages ?<p>Parmi les nombreux souvenirs d’été, il y a, selon les envies et les années, la mer, la montagne… mais aussi les embouteillages. Pourquoi est-il impossible d’avancer, sinon par intermittence, alors qu’aucun péage n’apparaît à l’horizon, ni même un accident ?</p>
<p>Les embouteillages ont de nombreuses conséquences économiques, sociales, logistiques, sanitaires et écologiques. En août 2010, un embouteillage à Pékin d’une centaine de kilomètres dura 12 jours, provoqué par les camions apportant le matériel pour les travaux de l’autoroute G110. Une étude d’un institut de recherche et d’une société d’infotrafic américaine <a href="https://cebr.com/reports/the-future-economic-and-environmental-costs-of-gridlock/">a montré en 2013</a> que les embouteillages coûtent 5,9 milliards d’euros à l’économie française chaque année. De plus, un embouteillage est une source importante de pollution de l’air.</p>
<p>Comment se forme un embouteillage ? Comment l’éviter ? Que peut la science face à ce problème ?</p>
<h2>Comprendre très simplement le phénomène par un exemple</h2>
<p>Dans le cas d’un trafic routier dense, quand un automobiliste change de file, le véhicule qui le suit doit freiner et cette vague (ou onde) de freinage se propage petit à petit et de façon graduelle. Si le premier véhicule a réduit sa vitesse de 10 %, le dixième véhicule aura diminué la sienne d’au moins 20 % pour des raisons de sécurité (maintien de la distance de freinage), mais également par réflexe de préservation. Si bien qu’au bout de plusieurs kilomètres, un bouchon se créera inéluctablement. Ce phénomène est appelé « effet papillon » ou « effet chenille » : une petite cause provoque une réaction beaucoup plus importante en bout de chaîne.</p>
<p>Si les premiers véhicules à avoir ralenti ne sont que faiblement impactés par le bouchon en création et retrouvent rapidement leur vitesse de croisière, il faudra un certain laps de temps pour ceux qui se situent en aval avant de parvenir à se sortir de cette situation. C’est la définition même de l’embouteillage en accordéon.</p>
<figure> <img src="https://1.bp.blogspot.com/-5HvjMIalnXk/WT6UwyxWLAI/AAAAAAAAKkY/TT0xmv-XgXMDlYjtnGrykI1474SYU-OwQCLcB/s1600/bouchon.gif"><figcaption>Animationde la formation d’un embouteillage par effet chenille.</figcaption></figure>
<p>Ce changement de file évoqué n’est qu’un exemple parmi d’autres qui peuvent expliquer la création d’un embouteillage sans raison apparente. Les modes de conduite différents d’un individu à l’autre, les voies d’insertion de véhicules, ou encore tout simplement l’effet de curiosité <a href="https://www.science-et-vie.com/questions-reponses/pourquoi-la-circulation-fait-elle-laccordeon-5939">peuvent entraîner</a> des perturbations de la circulation.</p>
<h2>Une analogie pour comprendre le phénomène…</h2>
<p>Pour étudier les « bouchons automobiles », on utilise en fait des modèles de mécanique des fluides ou de physique des milieux granulaires, car la polyvalence des modèles physiques est telle qu’une même équation peut servir <a href="https://www.podcastscience.fm/dossiers/2012/07/17/les-mathematiques-de-la-formation-des-bouchons/">à modéliser des phénomènes a priori différents</a>. Le flux des voitures peut être imaginé comme un liquide s’écoulant dans un tuyau, ou des billes roulant dans un conduit. Si l’une des billes subit un ralentissement en un point du conduit, celui-ci affecte toutes les billes en aval ; la perturbation se propage vers l’arrière, exactement comme une onde. C’est ce qui se passe dans les bouchons de voitures.</p>
<p>Comment ce ralentissement se forme, se propage et s’amplifie-t-il ? Il faut se tourner du côté des modèles mathématiques issus de la mécanique pour y répondre. Ici, on utilise des paramètres stables pour modéliser le système, par exemple la vitesse autorisée, la vitesse à laquelle se propage un bouchon, le nombre maximal de voitures que la voie peut accueillir.</p>
<p>Pour reproduire le phénomène de formation des bouchons de façon satisfaisante, les facteurs clés sont la fluidité initiale du trafic, la tendance des conducteurs à « surréagir » et la tendance des conducteurs à réagir en retard.</p>
<p>De façon contre-intuitive, la vitesse des véhicules et la densité du trafic n’ont pratiquement aucune incidence, sauf dans les cas limites. Le système peut rapidement dégénérer : une très faible perturbation a des répercussions sur l’ensemble du système. Cette perturbation peut être un conducteur nerveux, un virage trop serré, une anomalie sur la route, etc. Un seul conducteur peut créer un bouchon (ou le résorber, mais cela n’arrive jamais, car un conducteur qui sort d’un bouchon a tendance à trop accélérer).</p>
<p>Conclusion : il faut absolument éviter, dans la mesure du possible, de réagir trop vivement ou pire, de s’arrêter complètement. Mieux vaut rouler à 1 km/h plutôt que devoir immobiliser le véhicule. En faisant cela, on diminue l’amplitude de l’onde et on augmente sa longueur d’onde, première étape de son atténuation. Autre préconisation : équiper les voitures de régulateurs spécialement adaptés aux conditions de circulation lente.</p>
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<iframe width="440" height="260" src="https://www.youtube.com/embed/xpXzz3tEsUg?wmode=transparent&start=0" frameborder="0" allowfullscreen=""></iframe>
<figcaption><span class="caption">La formation d’embouteillages « fantômes », ceux qui semblent arriver sans raison (Figaro Sciences).</span></figcaption>
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<h2>Solutions et paradoxes</h2>
<p>Lors des grands départs en vacances, les embouteillages sont inévitables. Les autoroutes ne sont capables d’absorber qu’un certain nombre de véhicules à l’heure. Au-delà d’un certain débit, la fluidité du trafic diminue jusqu’à l’arrêt complet.</p>
<p>Peut-on prévoir les embouteillages ? Hélas… Non ! La visualisation des ondes en temps réel et à grande échelle est quasi impossible… De plus, si le mouvement des fluides, régis par des lois physiques, est, lui, assez « stable », les comportements humains, eux, restent imprévisibles.</p>
<p>Alors, pour réguler le trafic on peut agir sur certains paramètres. Par exemple, jouer sur la vitesse maximale autorisée, même de façon ponctuelle. Sur un axe à plusieurs points d’accès, on peut installer des feux pour faire varier la densité des nouveaux arrivants. De plus, le bon sens pourrait inciter à rajouter des routes. Mais ce n’est pas si simple : à Stuttgart à la fin des années 1960, de gros travaux d’extension du réseau routier avaient créé des <a href="http://www.breves-de-maths.fr/creer-de-nouvelles-routes-peut-generer-davantage-dembouteillages/">embouteillages monstres</a>, aboutissant à la fermeture de la section toute neuve.</p>
<p>La science a même prouvé qu’une voie express pouvait réduire la vitesse moyenne du trafic. C’est le <a href="http://images.math.cnrs.fr/Le-prix-de-l-anarchie.html">« paradoxe de Braess »</a> développé par le mathématicien éponyme. En substance : si la ville décide de construire une nouvelle route (appelons-la A) nettement plus rapide que les voies existantes (nommées B et C), tous les automobilistes vont opter pour la solution A. Un bouchon se forme et au final, les conducteurs mettent plus de temps en empruntant A qu’en se répartissant sur les voies B et C. Sa théorie s’est depuis confirmée. En 1990, la municipalité de New York ferme la 42<sup>e</sup> rue : la circulation dans Manhattan devient plus fluide. À Séoul, la destruction d’une voie express a permis d’améliorer la circulation globale.</p>
<p>En fait, les automobilistes ont un comportement égoïste, et sont en permanence soumis à un conflit intérêt individuel/intérêt collectif.</p>
<p>Alors, rappelons les préconisations scientifiques pour éviter les bouchons :</p>
<ul>
<li><p>augmenter les distances de sécurité permettant d’éviter les freinages intempestifs provoquant des ralentissements conséquents en cas de fort trafic,</p></li>
<li><p>diminuer la vitesse globale tout en gardant une vitesse relativement constante</p></li>
<li><p>ne pas changer de file sans arrêt, être attentif, savoir se détendre pour conserver une conduite normale.</p></li>
</ul>
<h2>Biomimétisme et embouteillages</h2>
<p>Nous l’avons vu, les embouteillages sont liés à une trop forte concentration d’individus qui circulent dans un même espace. Pourtant, les déplacements de grandes colonies de fourmis <a href="https://elifesciences.org/articles/48945">ne rencontrent pas ce problème</a>. En effet, chez les fourmis, quand la densité augmente, le flux croît puis devient constant, contrairement aux êtres humains qui, au-delà d’un certain seuil de densité, ralentissent jusqu’à avoir un flux nul et provoquer un embouteillage. En cas de trop forte densité, les fourmis ne s’engagent plus sur la route, elles attendent. Le choix est conditionné par l’adaptation continue à ces règles « tacites » de déplacement. Le trafic automobile, lui, suit des règles imposées, comme celle de s’arrêter au feu rouge, indépendamment du trafic.</p>
<p>Les systèmes de transport intelligents <a href="https://www.lepoint.fr/automobile/salons/a-la-ils-ont-vu-la-voiture-bio-de-2025-17-11-2013-1757956_656.php">peuvent être influencés</a> par l’adaptabilité permanente des fourmis. La conduite autonome <a href="https://www.leparisien.fr/economie/la-voiture-autonome-servira-a-bien-d-autres-choses-qu-a-se-deplacer-31-03-2019-8043237.php">relèverait le défi de la fluidité sur les routes</a>, pourrait rendre la circulation plus homogène, diminuer les erreurs d’appréciation humaines et permettre d’optimiser les temps de parcours en fonction du trafic.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/163994/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Waleed Mouhali ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Entre modèles et paradoxes mathématiques, mieux comprendre les embouteillages et comment les éviter.Waleed Mouhali, Enseignant-chercheur en Physique, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1633242021-06-29T20:44:20Z2021-06-29T20:44:20ZLouis : « Comment les geckos tiennent sans tomber sur des surfaces lisses ? »<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/408813/original/file-20210629-28-ogyvtn.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=26%2C4%2C3000%2C1989&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Gecko Phelsuma madagascariensis originaire de Madagascar.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.shutterstock.com/fr/image-photo/colorful-macro-closeup-green-day-gecko-564753997">Natalia van D</a></span></figcaption></figure><p>Les geckos sont des reptiles très répandus sur Terre. Ils sont assez petits, de 1,6 à 60 cm pour un poids allant de quelques grammes à plus d’une centaine. Ils se distinguent des lézards, avec lesquels ils sont souvent confondus, sur deux points. Tout d’abord, les geckos sont de remarquables vocalistes. Leur nom provient d’ailleurs du malais « gekop » correspondant au cri produit par un gecko indonésien que tu peux entendre ici :</p>
<iframe src="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mating_call_of_a_male_Tokay_gecko_(Gekko_gecko).ogg?embedplayer=yes" width="100%" height="20" frameborder="0" webkitallowfullscreen="" mozallowfullscreen="" allowfullscreen=""></iframe>
<p>Tous sont aussi des magiciens de l’adhésion : ils peuvent grimper sur toutes les surfaces, y compris les plus lisses, mais contrairement aux lézards aussi marcher et rester sur un plafond sans tomber. Les geckos sont les seuls animaux de cette taille à pouvoir faire cela ! Ce pouvoir unique, le gecko le doit uniquement à la structure particulière de l’intérieur de ses doigts.</p>
<p>Comme les lézards, le gecko possède des coussinets aux extrémités de ses doigts couverts d’une série de lamelles composée de poils ultrafins, environ de 10 fois plus fins qu’un cheveu. Cette structure est dense : chaque millimètre carré est couvert de plus de 10000 de ces poils. Elle permet aux geckos et aux lézards de grimper sur la plupart des surfaces verticales, lisses ou rugueuses.</p>
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<iframe width="440" height="260" src="https://www.youtube.com/embed/N7D_Vm-VbTc?wmode=transparent&start=130" frameborder="0" allowfullscreen=""></iframe>
<figcaption><span class="caption">Point de vue du monde de demain : L’adhérence du gecko.</span></figcaption>
</figure>
<p>Mais, contrairement aux lézards, chez le gecko cela ne s’arrête pas là : chacun de ses poils est composé de poils encore plus petits. Tu peux imaginer les coussinets du gecko comme des peignes dont chacune des dents est elle-même un peigne.</p>
<p>Cette structure permet au gecko de posséder des millions de points de contact avec la surface comme autant de petites ventouses. Il y a une petite force d’adhésion locale entre chacune des petites ventouses et la surface, qui additionnée sur les millions de contacts, donne une force d’adhérence incroyable, surdimensionnée. Les geckos ont tellement de ventouses qu’ils n’ont besoin que d’une seule patte pour se rattraper !</p>
<p>Ces poils sont très collants avec tous les matériaux dans presque toutes les conditions, mais ne collent par entre eux. Aucun risque que leurs pattes se collent entre elles. De plus, les coussinets des geckos sont toujours propres, alors qu’ils ne se toilettent pas les pattes. Leurs pattes ne se salissent pas au contact des surfaces ou du moins elles se nettoient elles-mêmes.</p>
<p>Avec tout ça, tu peux te demander comment les geckos arrivent à se décoller pour bouger. Tout simplement… en levant la patte ! Il leur suffit de tirer sur une patte tout en modifiant un peu l’orientation des poils pour que les petites ventouses se décollent toutes immédiatement. C’est entièrement mécanique ! Et les geckos sont capables de faire cela en moins d’une seconde ! D’où leur rapidité de mouvement quelle que soit la surface, les conditions et leur posture.</p>
<p>La découverte de cette structure des coussins des geckos est assez récente. Il a fallu attendre les années 1990. La compréhension des mécanismes physiques mis en jeu dans cet incroyable adhésif des pattes de gecko a aussi été long à déterminer. Même s’il reste des questions pratique en suspens, les ingénieurs ne peuvent manquer des propriétés aussi intéressantes afin de créer d’extraordinaires adhésifs, toujours propres que l’on peut décoller à volonté. L’imitation des structures des geckos pourrait nous permettre, un jour, de marcher au plafond !</p>
<hr>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=600&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/251779/original/file-20181220-103676-bvxzth.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=754&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption"></span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.dianerottner.com/">Diane Rottner</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span>
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<p><em>Si toi aussi tu as une question, demande à tes parents d’envoyer un mail à : tcjunior@theconversation.fr. Nous trouverons un·e scientifique pour te répondre</em>.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/163324/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>François Muller ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Les geckos sont capables de tenir sur presque n’importe quelle surface en s’accrochant avec seulement un doigt.François Muller, Enseignant-Chercheur en nanosciences et nanotechnologies, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1593912021-06-16T17:30:55Z2021-06-16T17:30:55ZSystèmes à base de graphène : où en est-on du difficile passage à l’échelle industrielle ?<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/404769/original/file-20210607-28372-11rxxdg.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=16%2C7%2C1005%2C872&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Le graphène, combiné avec d'autres matériaux, permet d'attendre de nombreuses propriétés physiques et chimiques, ouvrant la voie à de potentielles applications. Ici, des nanofibres de carbone couvertes de graphène.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/zeissmicro/31235545401/">ZEISS Microscopy, Flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span></figcaption></figure><p>Lorsqu’en 2004, Konstantin Novoselov et Andre Geim de l’Université de Manchester ont annoncé dans le <a href="http://www.condmat.physics.manchester.ac.uk/pdf/mesoscopic/publications/graphene/Science_2004.pdf">journal Science</a> avoir isolé une feuille unique de graphène – un cristal bidimensionnel de carbone ayant une structure en nid d’abeille, l’onde de choc dans le monde scientifique a été immense.</p>
<p>La technique utilisée par Konstantin Novoselov et Andre Geim est extrêmement simple : ils ont utilisé du scotch pour isoler pas à pas des couches de graphite, comme celles que l’on trouve dans les traces de simples crayons à papier, pour obtenir au final une couche unique, du graphène. Ce coup de génie leur a valu le prix Nobel de Physique en 2010.</p>
<h2>Des propriétés qui sortent de l’ordinaire</h2>
<p>La structure du graphène lui confère une série de propriétés extraordinaires même à température ambiante. Regardons-les d’un peu plus près. En étant purement bidimensionnel et d’épaisseur d’un atome, le graphène est un matériau extrêmement léger : une surface équivalente à un champ de foot pourrait être recouverte par une couche de graphène pour un poids total inférieur à un gramme. En étant de l’épaisseur d’un atome de carbone, une feuille de graphène assure la transmission de l’amplitude d’un rayon de lumière blanche à plus de 95 %, ce qui le place bien au-dessus du verre classique, qui n’en transmet que 80 %.</p>
<p>Sa structure lui confère une conductivité thermique extraordinaire, bien supérieure à celle du cuivre et même au-delà de celle du diamant lorsque le graphène est « suspendu », c’est-à-dire qu’il n’y a pas de « substrat », de surface dessous pour le soutenir.</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/le-graphene-ou-la-revolution-programmee-de-lelectronique-cest-pour-bientot-157436">Le graphène ou la révolution programmée de l’électronique : c’est pour bientôt ?</a>
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<p>L’enthousiasme du monde académique pour le graphène a été immédiat et de nombreuses applications ont vu le jour rapidement notamment dans le domaine de l’électronique.</p>
<h2>Du laboratoire au grand public</h2>
<p>De par ses propriétés extraordinaires, le graphène est déjà inclus ou est en passe de l’être dans le renforcement des matériaux en <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642517300968">remplacement des nanotubes de carbones</a>, le traitement des surfaces de verre <a href="https://www.nature.com/news/graphene-the-quest-for-supercarbon-1.14193">pour les vitres intelligentes, les lunettes et pour les écrans tactiles</a>, en passant par la <a href="https://www.graphene-info.com/graphene-water-treatment">filtration de l’eau</a> grâce à sa structure en nid d’abeille atomique, les <a href="https://www.graphene-info.com/graphene-batteries">batteries électriques</a> et l’<a href="https://www.graphene.manchester.ac.uk/learn/applications/electronics/">électronique flexible</a> pour des systèmes enroulables et pliables extrêmement fins. </p>
<p>Dans le domaine de la santé, le graphène participe à des <a href="https://www.chemeurope.com/en/publications/702661/graphene-quantum-dots-band-aids-used-for-wound-disinfection.html">pansements intelligents</a> et à des <a href="https://www.theengineer.co.uk/graphene-production-200-times-capacity/">traitements contre le cancer</a> malgré une <a href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrestox.0c00340">potentielle toxicité</a> selon les cas.</p>
<p>Toutefois, pour le moment il est essentiellement utilisé comme composant secondaire ou d’appoint.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=480&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=480&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=480&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=603&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=603&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/404770/original/file-20210607-27-1r57buz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=603&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Un dispositif électronique à base de graphène en laboratoire, vu en microscopie optique.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/cambridgeuniversity-engineering/9415593436/">Matteo Bruna, Department of Engineering, University Of Cambridge/Flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span>
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<p>C’est comme substituant du silicium que l’utilisation du graphène pur présente de nombreuses promesses pour réaliser un véritable bond technologique. Dès 2011, IBM a présenté le premier circuit intégré ayant un <a href="https://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/34726.wss">transistor exclusivement en graphène</a>.</p>
<p>Cependant, aujourd’hui encore la majorité des produits développés s’arrêtent à la phase du prototypage et une utilisation dans des systèmes commerciaux du graphène reste encore problématique.</p>
<h2>Le difficile passage à l’échelle industrielle</h2>
<p>En effet, plusieurs facteurs empêchent une vraie industrialisation à large échelle. Le coût d’obtention de plaquettes de graphène (de taille micronique sur une épaisseur atomique) reste encore trop élevé, autour de 100 à 700 euros par kilogramme. La largeur de cette fourchette de prix est influencée par <a href="https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/abddcd">plusieurs facteurs</a>, tels que la qualité du graphène souhaitée, la taille des plaquettes et la technique de production. Par exemple, une feuille de 1 centimètre carré de graphène pur coûtera bien plus cher à faire qu’une multitude de plaquettes représentant la même surface au total.</p>
<p>La mise en place et l’optimisation de procédés industriels adéquats demandent des investissements considérables. Plusieurs méthodes ont été développées afin d’aboutir à la production de feuillets de graphène, par exemple l’<a href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/cs/c3cs60217f">exfoliation mécanique en phase liquide</a>, le <a href="https://science.sciencemag.org/content/324/5932/1312.abstract">dépôt chimique en phase vapeur</a>, l’<a href="http://www.cnrs.fr/inc/communication/direct_labos/penicaud2.htm">oxydation de graphite en milieu acide</a> et récemment la <a href="https://www.nature.com/articles/s41586-020-1938-0">méthode du chauffage flash</a> de produits carbonés comme les déchets alimentaires, les plastiques. Des entreprises commencent aussi à développer des <a href="https://www.theengineer.co.uk/graphene-production-200-times-capacity/">approches nouvelles</a> pour produire du graphène à grande échelle. Ces techniques sont efficaces, mais leur mise en place et leur optimisation requièrent des moyens encore considérables.</p>
<h2>Niche du marché malgré les milliards investis</h2>
<p>Ainsi, les produits à base de graphène constituent, pour le moment, une niche du marché qui ne réussit pas vraiment à décoller. En 2019, la <a href="https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/graphene-industry">taille du marché</a> du graphène a été estimée à « seulement » 79 millions de dollars, alors que celle du <a href="https://www.alliedmarketresearch.com/carbon-nanotube-market">marché des nanotubes de carbone</a> par exemple a été estimée à 2,6 milliards de dollars. D’ici 2027, la croissance du marché du graphène devrait être de 38 %, mais dans le même temps celui des nanotubes de carbone devrait atteindre 5,8 milliards de dollars. L’industrie du graphène est toujours perçue par les potentiels investisseurs comme un marché encore immature à cause d’un <a href="https://www.nature.com/articles/s41563-021-00999-0">manque de standardisation et de fiabilité</a> sur les propriétés du produit vendu. Cette vision par les bailleurs de fonds du marché du graphène reste le principal frein d’expansion et de développement de ce marché spécifique.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=599&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=599&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=599&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=752&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=752&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/404771/original/file-20210607-13-1rj5t8y.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=752&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Encre de graphène, à base de graphite en poudre dans de l’alcool. Les encres électroniques comme celles-ci permettent d’imprimer des circuits électroniques avec des imprimantes jet d’encre.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/cambridgeuniversity-engineering/29839773526/">James Macleod, Department of Engineering, University Of Cambridge/Flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span>
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</figure>
<p>Néanmoins, diverses industries et de grands groupes comme Samsung ont commencé depuis 2014-2015 à investir dans des programmes internes de plusieurs milliards d’Euros afin de développer de nouveaux produits à base de graphène, ou du moins utilisant certaines des propriétés remarquables de celui-ci. L’Union européenne a alloué un <a href="https://graphene-flagship.eu/collaboration/about-us/the-graphene-flagship/">programme de financement</a> décennal d’un milliard d’Euros depuis 2013 pour le développement du secteur de la R&D autour du Graphene. En 2020, celle-ci a complété ce programme par un <a href="https://cordis.europa.eu/project/id/952792">autre programme de financement</a> de quatre ans de 20 millions d’euros avec l’objectif le développement et l’introduction dans le marché de nouveaux composants électroniques à base de graphène.</p>
<p>Des initiatives similaires ont été mises en place dans le monde. En 2015, la Corée du Sud a alloué un investissement quinquennal de 108 millions de dollars pour encourager la commercialisation du graphène. En Chine, le gouvernement a identifié l’industrialisation du graphène comme une des priorités dans son plan de développement pour la période 2016-2020. En 2013, le « Graphene Council » a été fondé aux États-Unis. Cette association a pour but de servir de réseau pour la communauté mondiale du graphène. Elle propose par exemple des <a href="https://www.thegraphenecouncil.org/page/VerifiedProducer">services de certification pour les différents producteurs de graphène</a> pour créer des standards de production et de qualité qui puissent être reconnus par de potentiels investisseurs.</p>
<p>Les systèmes « tout graphène » ne sont pas encore prêts pour passer des applications en laboratoire vers l’industrie. Cependant, les investissements et les progrès sont réels. Si nos ordinateurs ont un jour des fréquences de calcul de plusieurs térahertz sans surchauffer, ou que nos véhicules électriques alimentent nos logis en électricité, il y a de fortes chances pour que le graphène ait quelque chose à voir là-dedans.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/159391/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.</span></em></p>Le graphène suscite de grands espoirs applicatifs mais peine à parvenir à l’échelle industrielle.Serena Gallanti, Assistant Professor - Energy storage, ECE ParisFilippo Ferdeghini, Enseignant-chercheur en nanoscience, ECE ParisFrançois Muller, Enseignant-Chercheur en nanosciences et nanotechnologies, ECE ParisLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.