Pluie et neige sont sans aucun doute les grands protagonistes de cette saison hivernale en France, surtout ces derniers jours. Nous étions tous, parfois, enchantés de regarder la pluie sur une journée sombre et grise. Aujourd’hui, nous découvrons quelques curiosités sur la pluie et, en particulier, ses gouttes et la vitesse à laquelle elles tombent. Commençons par la base que les gouttes de pluie ne sont pas toutes les mêmes. Selon le nuage d’où elles se détachent et les conditions atmosphériques du moment, comme le vent ou les courants d’air, nous avons des gouttes de différentes tailles, et avec des vitesses de descente très variées. Donc a quelle vitesse descend une goutte de pluie? Et comment a-t-il été possible de calculer un chiffre aussi difficile?
Les gouttes de pluie tombent entre 8 et 32 km/h environ.
La vitesse maximale (ou “limite”) dépend en effet du diamètre et du poids de la goutte: plus elle est grande, plus elle est rapide.
Théoriquement, une goutte de pluie tombant de 1000 mètres d’altitude devrait atteindre le sol à une vitesse de 360 km/h.
La vitesse de chute des gouttes de pluie dépend évidemment de la taille et de la forme des gouttes elles-mêmes. Les petites gouttes (diamètre inférieur à 300-400 millièmes de millimètre) ont généralement une forme sphérique. Les plus grosses gouttes, en revanche, pour effet de la friction avec l’air, dans la chute prennent une forme écrasée, presque ellipsoïdale.
En moyenne, les gouttes de pluie tombent d’environ un millier de mètres de haut. Et comme dans la chute, sous l’effet de la gravité, elles devraient augmenter leur vitesse de 9.8 mètres par seconde (accélération de la gravité), cela signifie qu’après 1000 mètres de chute… Elle devrait atteindre le sol à une vitesse de 360 km/h! Heureusement, ce n’est pas le cas!
Comment a-t-il été possible de calculer un chiffre aussi difficile?
Tout commence avec le physicien allemand Philipp Lenard, lauréat du prix Nobel de physique en 1905 pour son travail avec les rayons cathodiques. Il commence à étudier les gouttes de pluie en 1898. Ses résultats ont été publiés en 1904 sous le titre Über Regen (sur la pluie) dans la revue allemande Météorologische Zeitschrift (revue météorologique).
Pour obtenir autant de données que possible sur les gouttes de pluie, le scientifique a fabriqué un tunnel de vent vertical. A l’intérieur, on pouvait changer la vitesse ascendante du flux d’air, pour simuler les courants réels présents dans l’atmosphère.
Les gouttes se détachaient de la partie supérieure et le vent venant du dessous les laissait flotter dans les airs pendant un instant. De cette façon, il pouvait voir comment les forces aérodynamiques agissaient sur les gouttes d’eau et comment leur comportement changeait.
Lenard a été la première personne à vérifier le phénomène des différentes tailles et formes des gouttes de pluie. De plus, on pouvait observer que les gouttes de plus de 5,5 mm se cassaient et se séparaient en gouttes plus petites à mesure qu’elles tombaient.
Les résultats
Le physicien allemand est arrivé à la conclusion que les gouttes d’eau, plus elles sont grandes à plus grande vitesse, tombent. Mais les gouttes de plus de 4,5 mm ne dépassaient jamais la vitesse maximale de 28,8 km/h. C’est la vitesse maximale qui, selon Lenard, pourrait atteindre n’importe quelle goutte de pluie.
Selon la taille, c` est toujours un moment à partir duquel la pluie ne peut pas augmenter sa vitesse de chute. À ce stade, l’embrayage avec l’air égalise son poids et tombe à vitesse constante. Cette vitesse est appelée vitesse terminale.
Par la suite, d’autres études sur la vitesse des gouttes d’eau ont été publiées. Ils sont très différents, mais pour nous donner une idée approximative, ils proposent des vitesses allant jusqu’à 14 km/h pour les plus petites gouttes et de 35 à 40 km pour les plus grandes.
Les vitesses des gouttes
En effet, toujours sous l’effet de la friction avec l’air, après un court trajet en accélération, les gouttelettes ont tendance à prendre une vitesse limite constante. Ceci est dû à l’équilibre entre la force du poids, dirigé vers le bas, et la force de frottement, qui s’oppose au mouvement et donc, dirigé vers le haut.
Lorsque le diamètre de la goutte dépasse 5 mm, elle devient instable et tend à se fissurer en gouttelettes plus petites. Mais voici, pour chaque type de goutte de diamètre D, sa vitesse de chute V, quand elle arrive au sol:
- brouillard: D = 10 microns (1 micron = 1 millième de mm), V = 25 cm/sec;
- brouillard pluvieux: D = 200 microns, V = 75 cm/sec;
- pluie faible: D = 450 microns, V = 2m /sec;
- pluie modérée: D = 1 mm; V= 4 m/sec;
- pluie forte: D = 1,5 mm; V = 5 m/sec;
- averse: D = 2 mm; V= 6 m/sec;
- tempête: D = 3 mm; V = 8 m/sec;
- grain de grêle: D = 1 cm; V = 50 m/sec.
