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Comment les vagues se forment (et comment les surfeurs peuvent les apprivoiser)

Si vous choisissez, comme destination de des vacancesla mer (qui danse le long des vagues limpides), aux reflets changeants, témoins privilégiés des caprices du ciel, vous vous retrouverez sans doute dans l’attente d’un pas clair vous emmène avant qu’il ne reste coincé sur le bord. Nous en avons tous fait l’expérience : rien n’est plus compliqué que de prédire comment une vague va nous entraîner ou comment nous sortirons de l’eau dans les vagues tumultueuses.

Au moment d’apprécier la magnitude d’une onde, on se transforme pendant quelques secondes et de manière improvisée en physicien modélisateur d’un phénomène très complexe pour prédire ses effets.

Les vagues sont phenomene naturel à la fois spectaculaire et dangereux. La hauteur des vagues varie de quelques centimètres à 32,3 mètres pour le plus élevé enregistré par un instrument, voire plus de 34 mètres pour la plus haute vague observée visuellement.

Origine et nature des vagues

Une onde est une déformation de la surface d’une masse d’eau, généralement causée par un autre liquide : le vent. A l’interface, le vent crée des vagues sur la océans, les mers et les lacs.

La neuvième vague, par Hovhannes Aivazovsky (1850)
La neuvième vague, peinture de Hovhannes Aivazovsky (1850) – Hovhannes Aivazovsky / Wikimedia CC0

D’autres phénomènes, beaucoup moins fréquents, sont également source d’ondes : certains tremblements de terre, éruptions volcaniqueschutes de météorites créant des vagues appelées tsunamis ou raz de marée. La marée est aussi à l’origine d’ondes très particulières appelées ennuyé, surélévations soudaines des eaux d’un fleuve ou d’un estuaire, causées par la vague de la marée montante dans l’estuaire et le cours inférieur de certains cours d’eau, à marée haute. Enfin, les navires sont aussi des sources de vagues.

Les vagues sont vagues, c’est-à-dire des phénomènes qui se déplacent périodiquement dans le temps (on parle de période) et dans l’espace (on parle de longueur d’onde). Ils peuvent se propager sur des kilomètres avant de toucher terre et se renforcer en fonction de la pente du fond de l’océan. Pour comprendre ce phénomène, il faut chercher un modèle physique de l’onde.

Une brève histoire des vagues

astronome et mathématicien George Biddell Airy a donné la théorie la plus simple pour les ondes régulières (périodiques). La vague aérienne a une surface libre, la surface de l’eau, de forme sinusoïdale. C’est une vision très simplifiée de la réalité, valable pour des ondes à faible cambrure, c’est-à-dire le rapport entre la hauteur et la longueur d’onde.

Si on regarde bien les vagues en mer, on voit que la plupart d’entre elles ne sont pas sinusoïdales : les sommets sont plus pointus, les cavités plus aplaties.

Mais ce qui nous intéresse aujourd’hui dans la théorie d’Airy, c’est que les particules liquides décrivent des ellipses presque fermées, dont la taille diminue avec la profondeur. On pense toujours à tort qu’une vague nous porte : en réalité, quand on nage dans les profondeurs lors de la propagation d’une vague, on se rend compte qu’il y a un mouvement de va-et-vient, pas forcément intuitif du point de vue de l’expérience quotidienne, mais bien marqué selon la théorie d’Airy.

Une onde progresse et les particules transportées par les ondes ont des orbites elliptiques
Une onde avance et les particules transportées par les ondes ont des orbites elliptiques – Crow’s Nest / Wikimedia CC BY-SA 4.0

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 complètement fermées est une manifestation du ” attise la dérive Près de la surface libre, la vitesse d’une particule d’eau sous une crête est supérieure à la vitesse opposée lors du passage du thalweg suivant, ce qui se traduit par une dérive dans le sens de propagation des ondes qui peut s’inverser en profondeur.

Quelle liberté !, peinture d'Ilya Repin (1903)
Quelle liberté !, peinture d’Ilya Repin (1903) – Ilya Repin / Wikimedia CC0

Approche déferlante de la plage

Revenons à ce qui va nous occuper cet été : foncer dans les vagues… dignement ! En fait “posséder une vague” signifie comprendre le golf.

Certaines vagues sont en effet trop raides pour être stables : elles cassent.

A l’approche d’une côte, la profondeur diminue, la forme des vagues change, d’abord approximativement symétrique puis généralement avec un bord d’attaque de plus en plus raide dès que la hauteur de la vague est du même ordre que la profondeur. Lorsque la vague déferle, la plus grande partie de son énergie est dissipée dans tourbillons et des bulles d’air. L’impulsion d’accompagnement contribue à accélérer le courant dans le sens de la coupure.

La forme d’une vague près du rivage dépend essentiellement de la pente du fond. Si on va dans le sens des pentes croissantes, on distingue généralement trois types de cassure. La rupture progressive ou douce se produit généralement sur les plages à très faible pente. Les vagues commencent à se détacher du rivage avec une crête à l’aspect mousseux qui devient plus raide à mesure qu’elle progresse, laissant derrière elle une couche d’écume.

La vague descendante est particulièrement spectaculaire avec ses rouleaux prisés par surfeurs. La vague s’enroule autour d’une poche d’air puis s’effondre, créant une éclaboussure perceptible. Cela se produit généralement sur une pente raide ou un changement brusque de profondeur (un écueil), c’est pourquoi il existe des “spots” prisés des surfeurs.

Obtenir de l’énergie des vagues

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 donne le dynamisme nécessaire pour se déplacer et, grâce à la vague, réaliser les figures qu’il souhaite sur sa planche en mouvement.

Les vagues frontales ou gonflées se forment comme des vagues agitées, mais la vague remonte la plage avant que la crête ne puisse s’enrouler. La zone de fracturation est très étroite et une grande partie de l’énergie est réfléchie vers les plus grandes profondeurs. Lorsque le peigne va plus vite que la vague elle-même, une épaisse couche de mousse de peigne se forme au sommet. On parle alors d’onde lisse, typique d’une berge en pente douce. Ce type de déferlement désavantage complètement le surfeur car l’énergie est donnée aux profondeurs. Le talent du surfeur en tant que « physicien occasionnel » est de savoir reconnaître les types de surf à cet effet.

Types de vagues
Types de vagues – SL Douglas et J. Krolak / FHWA / Wikimedia CC BY-SA 4.0

Il existe également un cas intermédiaire entre l’effondrement et la fracturation frontale. Au lieu de former un rouleau, la vague présente un plan vertical avant de s’effondrer.

Les surfeurs sont souvent surnommés les dompteurs de golf. Les bonnes conditions de vagues permettent une bonne pratique du surf (du moins avec beaucoup de technique !). Cela signifie de bonnes conditions de vent ou de houle, qui peuvent varier d’un endroit à l’autre.

Les vagues creuses, avec une cassure profonde, sont les préférées des ” les shortboarders qui utilisent des planches courtes. Les ondes creuses sont les ondes les plus puissantes, mais pas nécessairement les plus grosses. En effet, certaines vagues que l’on peut qualifier de creuses sont bien plus puissantes qu’une vague douce de même taille. Le principe du shortboard (shortboard) est de permettre un exercice de surf plus “dynamique” avec de multiples changements de direction sur la vague pour réaliser différentes figures. Ceci est rendu possible avec une vague dont le déferlement est mieux maîtrisé.

Enfin, un surfeur mène principalement des recherches appliquées dans la discipline « bonnes vagues ».
De manière générale, que vous jouiez avec eux, que vous y pensiez ou que vous les affrontiez, profitez de ces moments de liberté offerts par la nature. Et n’oublions pas qu’il n’y a qu’une seule planète Terre pour passer de beaux étés !

Cette analyse a été rédigée par Waleed Mouhali, enseignant-chercheur de physique à l’ECE Paris.
L’article original a été publié sur le site de La conversation.

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