Pour le centenaire de l’IMFT : un colloque dédié à un siècle de Mécanique des Fluides

Les participants au congrès au bord de la Garonne 

C’est le privilège des vieilles dames de mentir sur leur âge, mais c’est pour …se vieillir que l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT), fondé en 1930, fait  remonter son histoire à 1913 avec la création d’un Laboratoire d’Hydraulique à Toulouse par Charles Camichel. C’est ainsi un centenaire bien révolu célébré cette année par l’IMFT, qui accueille ses visiteurs avec une large bannière indiquant « 100 ans de bulles, de vagues et pas une ride ».

Pour commémorer cet anniversaire, un colloque international a été organisé par François Charru, dédié à « un siècle de Mécanique des Fluides  1870-1970 ». Ce colloque s’est déroulé du 19 au 21 octobre à l’IMFT et a rassemblé 70 participants, principalement francophones et scientifiques, mais aussi des historiens de la science. On notait également la présence de scientifiques anglais de grand renom, tels Brian Launder de l’Université de Manchester et Keith Moffatt de l’Université de Cambridge.

Ce colloque a été l’occasion de voir l’enchaînement des avancées scientifiques dans ce domaine d’une manière plus humaine en s’intéressant aux personnages qui ont écrit cette histoire de la mécanique des fluides avec leurs côtés sympathiques mais aussi avec leurs faiblesses. 

Ainsi Michael Eckert du Deutsches Museum à Munich, dans son exposé sur Ludwig Prandtl et la naissance de la mécanique des fluides en Allemagne, a projeté des photographies prises lors d’inaugurations de nouvelles installations à Göttingen en 1934 et 1936 avec grand renfort de drapeaux à croix gammées. Prandtl a d’ailleurs reçu en 1940 la médaille Goethe pour l’art et la science et en 1945 la Croix de Chevalier de la Croix du Mérite de guerre avec glaives, décoration pour laquelle il remercie personnellement Herman Göring dans une lettre datée du 7 mars 1945.
Les deux conférences inaugurales ont ébranlé nos certitudes. Ainsi l’exposé de Olivier Darrigol (SPHERE CNRS) consacré à « Boussinesq et son héritage » nous a appris que Boussinesq n’avait jamais fait une hypothèse de fermeture des équations de la turbulence. Puis Uriel Frisch (Université Côte d’Azur) a consacré sa conférence à « Augustin Cauchy et Herman Hankel, pionniers de la mécanique des fluides ». Il en ressort que la formule d’Ostrogradsky est en fait due à Hankel et qu’il faudrait un jour que les professeurs d’université fassent un acte de repentance pour avoir propagé auprès de leurs étudiants autant de faussetés.

Un exposé de José Eduardo Wesfreid (ESPCI, Paris) sur Henri Bénard, directeur du laboratoire expérimental de l’Institut de Mécanique des Fluides de Paris, faisait une large place aux célèbres allées de Bénard. La visualisation des écoulements fluides, qui a débuté avec Marey et sa machine à fumée, a fait l’objet de sept films pédagogiques par Léon Gaumont. Ces films sur les « tourbillons cellulaires » figuraient au catalogue Grand Public dès 1914, ce qui prouve que notre époque n’a rien inventé au niveau de la vulgarisation scientifique. Au sujet de ces tourbillons alternés, l’auteur a noté que si l’on évoquait à juste titre les « allées » de Von Kàrmàn, alors on devrait en toute justice parler des « boulevards » de Bénard.

Un intéressant exposé par D. Lo Jacono (IMFT Toulouse) a été consacré aux tourbillons d’Eole à Bénard. Les tourbillons alternés produits en aval des corps soumis à un courant d’air sont la source des sons produits par la « harpe d’Eole », cet instrument de musique, très prisé à la Renaissance. Disposé dans l’entrebâillement d’une fenêtre, il diffusait des sons grâce au vent naturel. Le procédé est bien plus ancien, puisque le souffle de Dieu faisait chanter dans la nuit la harpe de David pour le réveiller. Vers 1840 Wheatstone, l’homme du « pont », grâce à son kaléidophone, parvient à une première visualisation du temps. En 1878, Strouhal, motivé par la harpe d’Eole, mesure la fréquence du son émis par un cylindre de diamètre D mis en rotation à vitesse constante dans un fluide au repos. Il établit une formule donnant la fréquence du son, qui est proportionnelle à la vitesse et inversement proportionnelle au diamètre du cylindre. Ces travaux sont critiqués par Rayleigh, qui propose une formule faisant intervenir l’inverse du nombre de Reynolds, popularisant ainsi ce nombre dès 1892.


Un autre exposé de l’IMFT était consacré à l’histoire de la traînée du cylindre. Jacques Magnaudet est parti de la formule donnée par Stokes pour la sphère en 1851, qu’il a échoué à étendre au cylindre. Reprenant le problème en 1889, Whitehead ne trouva pas non plus de solution. Le suédois Karl Wihlelm Oseen s’y consacre également, puis Lamb, Paco Lagerstrom un autre suédois et enfin Philipp Saffman (CALTECH), qui publie en 1965 un article dans le Journal of Fluid Mechanics (JFM).

Keith Moffat (University of Cambridge) a brossé une très intéressante histoire des débuts de ce journal, le JFM, qu’il a vécu de l’intérieur, ayant été recruté par Batchelor pour être coéditeur de la célèbre revue du Trinity College, dont le premier volume sort en 1956. Moffat a rappelé qu’à l’époque les mathématiques appliquées étaient en Grande Bretagne englobées sous le vocable « Philosophie Naturelle » et que les universités d’Oxford et Edinburgh ont conservé cette « heureuse » dénomination.

Brian Launder (University of Manchester) a présenté une brillante conférence sur Horace Lamb, qui fut avec Reynolds l’un des deux premiers professeurs de mécanique des fluides à l’Université Victoria de Manchester. Pour autant les rapports entre les deux savants n’étaient pas très amènes et lorsque Reynolds soumit un article sur la moyenne de … Reynolds, Rayleigh le fit expertiser à Lamb, lequel en fit une critique acerbe de trois pages, ce qui obligea Reynolds à revoir sa copie en ajoutant quatre pages supplémentaires. Le différend devait être résolu quand Reynolds meurt en 1912 puisque Lamb prononce à son enterrement un fort sympathique discours sur le défunt. Une anecdote rend compte de la difficulté qu’éprouva toute sa vie Lamb vis-à-vis de la turbulence dans les fluides. Dans un discours prononcé en 1932 à la British Association for the Advancement of Sciences, il s’exprime ainsi : « Je suis maintenant un vieil homme, et quand je mourrai et irai au paradis il y a deux sujets sur lesquels j’aimerais bien être éclairé. L’un est l’électrodynamique quantique et l’autre l’écoulement turbulent des fluides. Et à propos du premier je suis plutôt optimiste ». Brian Launder a terminé son exposé en montrant le cratère lunaire de 106 km de diamètre qui porte le nom de ce célèbre mathématicien.

Concernant les écoulements turbulents, une rétrospective a été faite par François Schmitt (Laboratoire CNRS d’Océanologie et de Géosciences de Wimereux). Du point de vue sémantique, ces écoulements ont été à l’origine qualifiés de « tumultueux », par rapport aux écoulements laminaires, traités de « direct », et « régulier ». Reynolds en 1884 oppose les troupes qui défilent en ordre (cas laminaire) aux foules (cas turbulent). C’est en 1887 que Thomson, futur Lord Kelvin, mentionne le mot « turbulent », qui est repris en 1906 par Lamb et en 1907 par Lanchester. Ce mot vient à la fois de turba,ae : foule et de turbi, inis : tourbillon

Rossana Tiazzioli de l’Université de Lille a évoqué « la contribution de Levi-Cività à l’hydrodynamique et son influence en France ». Professeur à Padoue (1898), puis à Rome (1918), il a établi la théorie du sillage très ingénieuse, mais incomplète car ne concernant que des fluides idéaux. Rome était au début du XXème siècle le troisième pôle de mécanique des fluides après Paris et Göttingen. A Paris, Villat, directeur de l’Institut de mécanique des fluides et professeur à Sup-Aéro est, comme Levi-Cività, un esprit esthétique, qui aimerait résoudre les équations de Navier-Stokes. A défaut il se contente de résolutions simples, mathématiquement rigoureuses, laissant de côté la réalité expérimentale, plus compliquée et mathématiquement moins belle. C’est Villat qui a contribué au procédé de transformation conforme permettant la résolution des problèmes de profil d’aile en les ramenant au cas du cercle. La figure de Joseph Pérès, directeur de l’Institut de Mécanique des Fluides de Marseille, fut également entrevue dans cet exposé. 

Claudine Fontanon (Ecole des Hautes Etudes en Sciences Sociales de Paris) a traité le sujet de l’Institut de Mécanique des Fluides de Paris pendant les années Villat (1928-1940) et de la Mécanique des Fluides à la Sorbonne. L’école parisienne a ainsi accueilli en 1917 Riabouchinsky fondateur de l’Institut de Koutchino en 1909 en Russie. C’est lui qui a fait connaître les travaux de Joukovski en France. Joseph Pérès et Lucien Malavard ont mis au point les analogies rhéo-électriques, permettant la résolution élégante des équations d’Euler et le tracé des lignes de courant autour d’un profil. 

Antonieta Demuro (Université de Lille) a fait un exposé sur les recherches sur la turbulence de Joseph Kampé de Fériet à l’Institut de Mécanique des Fluides de Lille. Elle concluait son exposé en citant P. Levy qui écrivait en 1951 : « Il est très estimé en Amérique mais je me demande si en France on se rend bien compte de sa valeur ».

Gérard Maugin, auteur d’un ouvrage intitulé « Paul Germain (1920-2009), Savant, Educateur, Académicien, Croyant » devait parler de Paul Germain. En raison de son récent décès, l’attachante figure de Paul Germain a été évoquée avec brio par Pierre-Yves Lagrée (CNRS et Université Pierre et Marie Curie). Un des grands-pères de Paul Germain lui avait dit « ne fais pas de science, tu vas y perdre ton âme ». Celui qui devait devenir secrétaire perpétuel de l’Académie des Sciences fit malgré tout l’Ecole Normale Supérieure et réalisa à l’ONERA – dont il devait devenir le Directeur Général - un doctorat sur les écoulements supersoniques sous la direction de Joseph Pérès. Cette grande figure de la mécanique des fluides a - tout comme Reynolds avec Lamb – été exposé aux dures lois de l’expertise par ses pairs, en l’occurrence Henri Cartan : « j’ai lu votre dernière note aux Comptes Rendus. Je me demande à quoi ça sert.». A la fin de sa vie, se rappelant la mise en garde de son grand-père, Paul Germain écrivit un ouvrage intitulé « mémoires d’un scientifique chrétien ». Pierre-Yves Lagrée a prononcé une autre conférence avec comme trame l’histoire de la couche limite et de la théorie de la triple couche.

Pierre-Eric Mounier-Kuhn (Université Paris Sorbonne) a brossé une histoire de la politique scientifique en mécanique des fluides de 1924 à 1964 et son intégration dans un réseau transatlantique. Il a rappelé que dès 1910 une chaire d’aviation avait été créée à la Sorbonne grâce au marchand de canons Basil Zaharoff, qui apparait aussi dans Tintin et l’Oreille cassée. Ce mécène sulfureux avait également fondé deux autres chaires à Göttingen et à Londres. Le cas de la mécanique des fluides offre l’exemple très précoce d’une véritable politique scientifique. Grâce à Von Kàrmàn, qui avait été formé par Prandtl à Göttingen, la mécanique des fluides est importée au Guggenheim Aeronautical Laboratory at the California Institute of Technology (GALCIT). Von Kàrmàn crée ensuite au sein de l’OTAN un réseau international : Advisory Group for Aerospace Research and Development (AGARD).

Bruno Chanetz (ONERA) a retracé l’histoire des souffleries depuis Gustave Eiffel en débutant par une controverse entre Eiffel et Prandtl. Les mesures de coefficient de traînée effectuées par Eiffel dans sa soufflerie du Champ-de-Mars avant 1911 sur des sphères à des vitesses de 15 m/s étaient inférieures de moitié à celles trouvées pour des vitesses plus faibles par le professeur August Föppl du laboratoire de Göttingen, dirigé par Prandtl. Föppl n’hésita pas à écrire que le Français avait dû commettre une erreur de calcul. En 1912, Eiffel reprenant dans sa nouvelle soufflerie d’Auteuil les essais avec des sphères de différents diamètres, découvre que pour chaque sphère, il y a deux régimes d’écoulement de l’air : l’un aux basses vitesses correspondant au coefficient trouvé à Göttingen (décollement de la couche limite en régime laminaire) et l’autre, aux plus fortes vitesses, correspondant au coefficient trouvé au Champ-de-Mars (décollement de la couche limite en régime turbulent), le changement de régime laminaire/turbulent se faisant toujours pour la même valeur du produit vitesse × diamètre. Ainsi, l’étude expérimentale des sphères réalisée au Laboratoire d’Auteuil fut une des premières qui mit en évidence le rôle important du nombre de Reynolds en aérodynamique. Une large part de la conférence a été consacrée à la Grande Soufflerie sonique de l’ONERA à Modane. Cette soufflerie d’une puissance 88 MW, fut une prise de guerre sur les Allemands en 1945. Lucien Malavard participa à la mission scientifique envoyée en Autriche afin de décider du rapatriement en France de cette extraordinaire installation. Elle constitue toujours une soufflerie stratégique pour la France. Cet exposé sur les souffleries, fut complété par la projection de la première époque du film de Jean Tensi (ENSMA Poitiers) : Des cathédrales pour le vent.

L’hydraulique a été à l’honneur au cours du colloque, avec la conférence de Pierre-Louis Viollet sur l’histoire des turbines, mais aussi celle de Charles Obled « aperçus sur l’histoire de l’hydraulique grenobloise au XXème siècle ». Mais nous avons également remonté le temps avec l’hydraulique dans l’antiquité grâce à une conférence « La mécanique des fluides au service de l’archéologie » par Didier Viviers de l’Université Libre de Bruxelles. Des ouvrages d’art antiques, tels le triple siphon de l’aqueduc d’Aspendos, la nymphée dans la ville d’Apamée et le canal avec obstacle au centre de la rue principale à Pergé, jusque-là seulement étudiés par les observations de terrain et par les textes, ont ainsi fait l’objet de compléments d’analyse en résolvant des équations issues de la dynamique des fluides appliquées à ces vestiges. 

François Charru, à qui revient le mérite d’avoir organisé cet original colloque, a donné une fort intéressante conférence : « Une histoire de l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse ». Il a évoqué  l’Institut Electronique fondé à Toulouse en 1907 par Charles Camichel, en liaison avec les compagnies de chemin de fer édifiant des barrages pour produire l’électricité nécessaire à leurs locomotives. C’est au sein de cet institut que le Laboratoire d’Hydraulique est fondé en 1913 et confié à Charles Camichel. En 1930, devenu IMFT, l’Institut se consacre à l’hydraulique et à l’aérodynamique. A partir de 1941, Léopold Escande succède à Charles Camichel pendant 29 ans. Pour en savoir plus sur l’IMFT, on lira avec plaisir le passionnant livre « L’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse : 100 ans de recherches », paru aux éditions du CNRS sous la direction de François Charru. Chaque participant du colloque a reçu en cadeau ce magnifique ouvrage commercialisé par le CNRS. 
Pour approfondir les autres sujets évoqués lors de ce colloque, les lecteurs devront attendre la parution d’un numéro spécial des « Comptes Rendus de l’Académie des Sciences », puisque les articles fournis par les présentateurs feront l’objet d’un recueil spécifique de la revue. ■

 

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