Histoire de la mécanique des fluides
Lhistoire de la mécanique des fluides retrace l'histoire des connaissances dans ce domaine depuis l'antiquité.

Historique

Jusqu'au  
Avant qu'elle ne soit étudiée, la mécanique des fluides a été largement employée pour des applications quotidiennes comme l'irrigation en agriculture, les canaux, les fontaines, etc. La sédentarisation des humains a entraîné la nécessaire invention de moyens de maîtrise de l'eau. L'irrigation à petite échelle serait née vers  à la fin du Néolithique. On commence à trouver de grands ouvrages hydrauliques (canaux, irrigation gravitaire) vers  Vers cette époque des instruments ont déjà été inventés pour mesurer le niveau des crues, des zones de marécages sont drainées et asséchées, barrages et digues pour se protéger des crues sont construits sur le Nil, le fleuve Jaune et l'Euphrate. Il est possible que les plus vieux aqueducs aient été construits en Crète au  et en Palestine au .

L’étude de l'eau et de son comportement mécanique ne passe des applications concrètes à la théorie que tardivement. À Alexandrie au , Archimède étudie avec les disciples d'Euclide et, en revenant à Syracuse, formule des principes qui sont à l’origine de la statique des fluides notamment avec son principe éponyme. Héron d'Alexandrie au  a poursuivi le travail de statique des fluides en découvrant le principe de la pression et surtout du débit.

Durant l'antiquité tardive les grands travaux hydrauliques se poursuivent et se raffinent avec des aqueducs, des systèmes de distribution et d'assainissement de l'eau, mais aussi les fontaines et les bains. Ces travaux sont décrits par Frontin. Comme la plupart des sciences, l'hydrostatique et l'hydraulique disparaissent en partie de l'Europe pendant le Moyen Âge, la migration du savoir se faisant de l'ancien empire gréco-romain vers l'empire arabe. L'âge d'or islamique voit d'abord la traduction des œuvres d'Archimède, d'Euclide, et la publication par Al-Jazari du Livre des mécanismes ingénieux ou Kitāb al-Ḥiyal, ouvrage traitant de l'hydraulique et de l'hydrostatique d'Archimède.

Du point de vue des édifices hydrauliques, si le Moyen Âge voit la disparition du système d'irrigation de la Mésopotamie à cause des invasions mongoles provoquant l'effondrement de la population locale, au  sous la dynastie Sui s'achève la première étape des travaux du Grand Canal qui relie Nord et Sud de la Chine.

La mécanique des fluides n'est étudiée à nouveau en Europe qu'avec les études de Léonard de Vinci au  qui décrit à la fois les multiples types d'écoulements et formule le principe de conservation de la masse ou principe de continuité, prenant ainsi la suite de Héron. C'est lui qui jette les fondements de la discipline et introduit de nombreuses notions d'hydrodynamiques dont les lignes de courant. Comprenant intrinsèquement la problématique de résistance à l'écoulement, il conçoit le parachute, l'anémomètre et la pompe centrifuge.

Si Simon Stevin (1548-1620) découvrit les grands principes de l'hydrostatique, complétant ainsi l'œuvre d'Archimède, le Brugeois ne parvint pas cependant à les présenter sous une forme suffisamment belle et ordonnée; ce fut l'œuvre de Pascal de donner à ces découvertes une forme irréprochable. On peut dire que, si Stevin découvrit le paradoxe hydrostatique et le principe de l'égalité de pression dans un liquide, ce fut Blaise Pascal qui, dans son « Récit de la grande expérience de l'équilibre des liqueurs » de 1648, donna le premier un exposé homogène et bien ordonné de ces principes fondamentaux de l'hydrostatique. Les manifestations du paradoxe hydrostatique sont utilisées dans l'enseignement du phénomène. L'une des expériences les plus connues est le crève-tonneau de Pascal.

Le Livre II des Principia Mathematica de Newton qui traite des mouvements des corps en des milieux résistants, ne laisse aucun acquis scientifique substantiel. Cependant, selon Clifford Truesdell, les travaux de Newton ont fourni à ces deux disciplines un programme qui a été suivi pendant cinquante ans. Il faut attendre les travaux de Alexis Claude Clairaut (1713-1765) et Jean le Rond D'Alembert (1717-1783) pour que commencent à s'établir les lois de la mécanique des fluides.

Époque moderne 

Il faut attendre l'inclusion des mathématiques à la physique pour que la mécanique des fluides gagne en profondeur. En 1738 Daniel Bernoulli établit des lois applicables aux fluides non visqueux en utilisant le principe de conservation de l'énergie mécanique. La naissance du calcul différentiel permet à Jean le Rond D'Alembert en 1749 d'exposer, en 137 pages, les bases de l'hydrodynamique en présentant le principe de la pression interne d'un fluide, du champ de vitesse et des dérivées partielles appliquées aux fluides. Leonhard Euler complète plus tard l'analyse de D'Alembert sur la pression interne et les équations de dynamique des fluides incompressibles.

En 1755 Euler publie ainsi un traité qui donne les équations à dérivées partielles décrivant les fluides parfaits incompressibles. Un peu avant, en 1752, D'Alembert relève le paradoxe à son nom qui montre que les équations contredisent la pratique : un corps plongé dans un fluide se mouvrait sans résistance d'après la théorie, ce que l'observation contredit directement. L'introduction par Henri Navier en 1820 de la notion de frottement sous forme d'un nouveau terme dans les équations mathématiques de mécanique des fluides. George Gabriel Stokes aboutit en 1845 à une équation permettant de décrire un écoulement de fluide visqueux. Les équations de Navier-Stokes marqueront toute la suite de l'histoire de la mécanique des fluides.

Cette suite prend corps dans la seconde moitié du  et la première du  :
 développements dans les domaines incompressible ou compressible avec la création du concept de couche limite par Ludwig Prandtl qui s’avérera très fructueux, particulièrement pour l'aérodynamique et l'hydrodynamique navale,
 étude du domaine nouveau que constitue le supersonique,
 étude des écoulements en milieu poreux par Henry Darcy et des interfaces eau-air par Moritz Weber,
 l'étude des instabilités et de la turbulence, un chapitre bien loin d'être clos aujourd'hui. Ce domaine voit l'apparition d'écoles fondées par un précurseur : Prandtl à Göttingen ou l'école russe de mathématiciens par Kolmogorov.
Au cours de cette période un nouveau chapitre est ouvert par Ludwig Boltzmann avec la description statistique des gaz au niveau microscopique. Ce domaine sera développé par Martin Knudsen pour le domaine inaccessible à une description relevant de l'hypothèse du continu. David Enskog et Sydney Chapman montreront comment passer pour les gaz du niveau moléculaire au continu, permettant ainsi le calcul les coefficients de transport (diffusion, viscosité, conduction) à partir du potentiel d'interaction moléculaire.

Toutes les travaux théoriques s'appuient sur les travaux fondamentaux antérieurs de mathématiciens comme Leonhard Euler, Augustin Louis Cauchy ou Bernhard Riemann.

Par ailleurs le développement de nombreuses installations d'essai et de moyens de mesure permet d'obtenir de nombreux résultats. Tous ne sont pas explicables par la théorie et on voit apparaître un grand nombre de nombres adimensionnels permettant une explication et une justification d'essais effectués sur maquette en soufflerie ou bassin de carène. Deux mondes scientifiques se côtoient et très souvent s'ignorent jusqu'à la fin du . Ce gap disparaîtra sous l'impulsion de gens comme Theodore von Kármán ou Ludwig Prandtl au début du .

Tous ces développements sont supportés par les développements de l'industrie : hydrodynamique industrielle, constructions navales et aéronautique.

Époque récente 
Le calcul numérique naît dans la seconde moitié du . Il va permettre l'éclosion d'une nouvelle branche de la mécanique des fluides, la mécanique des fluides numérique. Elle est basée sur l'avènement de calculateurs toujours plus puissants mais aussi de méthodes mathématiques permettant le calcul numérique. La puissance de calcul permet la réalisation d'« expériences numériques » qui concurrencent les moyens d'essai ou permettent l'interprétation plus aisée de ceux-ci. Ce type d'approche est couramment utilisée dans l'étude de la turbulence.

Le second fait d'importance dans cette période est l'augmentation considérable du nombre de personnes impliquées dans la recherche et développement. Les découvertes sont devenues plutôt le fait d'équipes que d'individus. Ces équipes sont pour l'essentiel américaines : l'Europe (essentiellement France, Royaume-Uni et Allemagne) a perdu son leadership.

Les domaines industriels qui justifient ces développements sont la météorologie, la climatologie, la géophysique ou encore l'océanographie et l'astrophysique. Ces domaines n'existent que par le calcul numérique, au moins pour les deux premiers.

Notes et références

Notes

Références

Voir aussi

Ouvrages de référence

Articles connexes 

Histoire de la physique
Mécanique des fluides
Histoire de la mécanique
Lhistoire de la mécanique de les fluides retrace l' histoire de les connaissances dans ce domaine depuis l' antiquité . Historique Jusqu' à le Avant qu' elle ne soit étudiée , la mécanique de les fluides a été largement employée pour de les applications quotidiennes comme l' irrigation en agriculture , les canaux , les fontaines , etc. La sédentarisation de les humains a entraîné la nécessaire invention de moyens de maîtrise de l' eau . L' irrigation à petite échelle serait née vers à la fin de le Néolithique . On commence à trouver de grands ouvrages hydrauliques ( canaux , irrigation gravitaire ) vers Vers cette époque de les instruments ont déjà été inventés pour mesurer le niveau de les crues , de les zones de marécages sont drainées et asséchées , barrages et digues pour se protéger de les crues sont construits sur le Nil , le fleuve Jaune et l' Euphrate . Il est possible que les plus vieux aqueducs aient été construits en Crète à le et en Palestine à le \ . L’ étude de l' eau et de son comportement mécanique ne passe de les applications concrètes à la théorie que tardivement . À Alexandrie à le , Archimède étudie avec les disciples d' Euclide et , en revenant à Syracuse , formule de les principes qui sont à l’ origine de la statique de les fluides notamment avec son principe éponyme . Héron d' Alexandrie à le a poursuivi le travail de statique de les fluides en découvrant le principe de la pression et surtout de le débit . Durant l' antiquité tardive les grands travaux hydrauliques se poursuivent et se raffinent avec de les aqueducs , de les systèmes de distribution et d' assainissement de l' eau , mais aussi les fontaines et les bains . Ces travaux sont décrits par Frontin . Comme la plupart de les sciences , l' hydrostatique et l' hydraulique disparaissent en partie de l' Europe pendant le Moyen Âge , la migration de le savoir se faisant de l' ancien empire gréco-romain vers l' empire arabe . L' âge d' or islamique voit d' abord la traduction de les œuvres d' Archimède , d' Euclide , et la publication par Al-Jazari de le Livre de les mécanismes ingénieux ou Kitāb al-Ḥiyal , ouvrage traitant de l' hydraulique et de l' hydrostatique d' Archimède . De le point de vue de les édifices hydrauliques , si le Moyen Âge voit la disparition de le système d' irrigation de la Mésopotamie à cause de les invasions mongoles provoquant l' effondrement de la population locale , à le sous la dynastie Sui s' achève la première étape de les travaux de le Grand Canal qui relie Nord et Sud de la Chine . La mécanique de les fluides n' est étudiée à nouveau en Europe qu' avec les études de Léonard de Vinci à le qui décrit à la fois les multiples types d' écoulements et formule le principe de conservation de la masse ou principe de continuité , prenant ainsi la suite de Héron . C' est lui qui jette les fondements de la discipline et introduit de nombreuses notions d' hydrodynamiques dont les lignes de courant . Comprenant intrinsèquement la problématique de résistance à l' écoulement , il conçoit le parachute , l' anémomètre et la pompe centrifuge . Si Simon Stevindécouvrit les grands principes de l' hydrostatique , complétant ainsi l' œuvre d' Archimède , le Brugeois ne parvint pas cependant à les présenter sous une forme suffisamment belle et ordonnée ; ce fut l' œuvre de Pascal de donner à ces découvertes une forme irréprochable . On peut dire que , si Stevin découvrit le paradoxe hydrostatique et le principe de l' égalité de pression dans un liquide , ce fut Blaise Pascal qui , dans son « Récit de la grande expérience de l' équilibre de les liqueurs » de donna le premier un exposé homogène et bien ordonné de ces principes fondamentaux de l' hydrostatique . Les manifestations de le paradoxe hydrostatique sont utilisées dans l' enseignement de le phénomène . L' une de les expériences les plus connues est le crève-tonneau de Pascal . Le Livre II de les Principia Mathematica de Newton qui traite de les mouvements de les corps en de les milieux résistants , ne laisse aucun acquis scientifique substantiel . Cependant , selon Clifford Truesdell , les travaux de Newton ont fourni à ces deux disciplines un programme qui a été suivi pendant cinquante ans . Il faut attendre les travaux de Alexis Claude Clairautet Jean le Rond D' Alembertpour que commencent à s' établir les lois de la mécanique de les fluides . Époque moderne Il faut attendre l' inclusion de les mathématiques à la physique pour que la mécanique de les fluides gagne en profondeur . EnDaniel Bernoulli établit de les lois applicables à les fluides non visqueux en utilisant le principe de conservation de l' énergie mécanique . La naissance de le calcul différentiel permet à Jean le Rond D' Alembert end' exposer , enpages , les bases de l' hydrodynamique en présentant le principe de la pression interne d' un fluide , de le champ de vitesse et de les dérivées partielles appliquées à les fluides . Leonhard Euler complète plus tard l' analyse de D' Alembert sur la pression interne et les équations de dynamique de les fluides incompressibles . EnEuler publie ainsi un traité qui donne les équations à dérivées partielles décrivant les fluides parfaits incompressibles . Un peu avant , en D' Alembert relève le paradoxe à son nom qui montre que les équations contredisent la pratique \ : un corps plongé dans un fluide se mouvrait sans résistance d' après la théorie , ce que l' observation contredit directement . L' introduction par Henri Navier ende la notion de frottement sous forme d' un nouveau terme dans les équations mathématiques de mécanique de les fluides . George Gabriel Stokes aboutit enà une équation permettant de décrire un écoulement de fluide visqueux . Les équations de Navier-Stokes marqueront toute la suite de l' histoire de la mécanique de les fluides . Cette suite prend corps dans la seconde moitié de le et la première de le \ : développements dans les domaines incompressible ou compressible avec la création de le concept de couche limite par Ludwig Prandtl qui s’ avérera très fructueux , particulièrement pour l' aérodynamique et l' hydrodynamique navale , étude de le domaine nouveau que constitue le supersonique , étude de les écoulements en milieu poreux par Henry Darcy et de les interfaces eau-air par Moritz Weber , l' étude de les instabilités et de la turbulence , un chapitre bien loin d' être clos aujourd'hui . Ce domaine voit l' apparition d' écoles fondées par un précurseur \ : Prandtl à Göttingen ou l' école russe de mathématiciens par Kolmogorov . À le cours de cette période un nouveau chapitre est ouvert par Ludwig Boltzmann avec la description statistique de les gaz à le niveau microscopique . Ce domaine sera développé par Martin Knudsen pour le domaine inaccessible à une description relevant de l' hypothèse de le continu . David Enskog et Sydney Chapman montreront comment passer pour les gaz de le niveau moléculaire à le continu , permettant ainsi le calcul les coefficients de transport ( diffusion , viscosité , conduction ) à partir de le potentiel d' interaction moléculaire . Toutes les travaux théoriques s' appuient sur les travaux fondamentaux antérieurs de mathématiciens comme Leonhard Euler , Augustin Louis Cauchy ou Bernhard Riemann . Par ailleurs le développement de nombreuses installations d' essai et de moyens de mesure permet d' obtenir de nombreux résultats . Tous ne sont pas explicables par la théorie et on voit apparaître un grand nombre de nombres adimensionnels permettant une explication et une justification d' essais effectués sur maquette en soufflerie ou bassin de carène . Deux mondes scientifiques se côtoient et très souvent s' ignorent jusqu' à la fin de le \ . Ce gap disparaîtra sous l' impulsion de gens comme Theodore von Kármán ou Ludwig Prandtl à le début de le \ . Tous ces développements sont supportés par les développements de l' industrie \ : hydrodynamique industrielle , constructions navales et aéronautique . Époque récente Le calcul numérique naît dans la seconde moitié de le \ . Il va permettre l' éclosion d' une nouvelle branche de la mécanique de les fluides , la mécanique de les fluides numérique . Elle est basée sur l' avènement de calculateurs toujours plus puissants mais aussi de méthodes mathématiques permettant le calcul numérique . La puissance de calcul permet la réalisation d' « expériences numériques » qui concurrencent les moyens d' essai ou permettent l' interprétation plus aisée de ceux-ci . Ce type d' approche est couramment utilisée dans l' étude de la turbulence . Le second fait d' importance dans cette période est l' augmentation considérable de le nombre de personnes impliquées dans la recherche et développement . Les découvertes sont devenues plutôt le fait d' équipes que d' individus . Ces équipes sont pour l' essentiel américaines \ : l' Europe ( essentiellement France , Royaume-Uni et Allemagne ) a perdu son leadership . Les domaines industriels qui justifient ces développements sont la météorologie , la climatologie , la géophysique ou encore l' océanographie et l' astrophysique . Ces domaines n' existent que par le calcul numérique , à le moins pour les deux premiers . Notes et références Notes Références Voir aussi Ouvrages de référence Articles connexes Histoire de la physique Mécanique de les fluides Histoire de la mécanique