Exercices 3: Expérience sur le vent dans la ville

Exercices 3: Expérience sur le vent dans la ville

1. Le vent en ville

Dans une ville l'air se réchauffe plus vite, notamment en été. La pression de l'air est alors plus faible. Les zones rurales qui entourent la ville se réchauffent plus lentement, et ont donc des pressions plus hautes.

Une différence de pression s'installe alors. Au niveau du sol, l'air a tendance à aller des hautes vers les basses pressions, et donc de la banlieue vers la ville. Le vent suit les routes qui mènent à la ville comme dans des corridors et sa vitesse se ralentit, parfois jusqu'à la moitiué de sa vitesse initiale. Une fois dans le ville, sa vitesse peut augmenter à nouveau dans les coins de rue, les place, les carrefours, jusqu'à 20%. Le vent fait alors de petits tourbillons locaux. Au centre de la ville, l'air peut se réchauffer considérablement, il monte alors le long des murs des maisons et des immeubles, monte dans les couches plus élevées de l'atmosphère, et retourne vers les banlieues environnantes. En hauteur il se refroidit et a tendance à plonger (puisqu'il est plus froid, il est donc plus lourd). L'air va ainsi retourner vers le centre et le cycle de brise urbaine se perpétue.

On peut comparer ce phénomène avec la circulation de l'air dans les régions tropicales, ou avec la circulation océanique. Demandez à votre professeur de géographie ou de sciences, il saura vous en dire plus!

2. Expérience

Grâce à cette expérience, vous allez pouvoir comprendre comment le vent génère des tourbillons.

2.1 Attention!!

- Ne faites ces expériences qu'en présence de votre professeur, dans le laboratoire de chimie ou dehors, dans un bac à sable!
- Suivez parfaitement les instructions ! Le feu ou le courant électrique peuvent être très dangereux!
- Ayez du sable, un extincteur et une couverture anti-feu à côté de vous pendant l'expérience!
- N'essayez pas d'éteindre le feu avec de l'eau, mais avec l'extincteur, le sable ou la couverture!
- Et si vous n'arrivez pas à l'éteindre, appelez les pompiers et quittez les lieux sans paniquer...

Ce dont vous avez besoin pour l'expérience :

Matériel nécessaire pour l'expérience (photo prise par Gert Bauer)

Matériel:

1. Plaque servant de support, ou paillasse de laboratoire
2. De la laine, une paire de ciseaux et de la colle pour fixer des bouts de laine le long des bâtiments.
3. Les bâtiments seront simulés avec des briques (ou des briques de jus de fruits pleines)
4. Barquette en aluminium pour le combustible
5. Un briquet et des pommes de pin comme combustibles pour faire la fumée
6. Un sèche-cheveux et un poster enroulé pour diriger le vent
7. Un vaporisateur pour humidifier les pommes de pin pour la production de fumée
8. Un tableau noir ou un carton foncé pour servir de fond

2.2 Mettez en place l'expérience

Mise en place de l'expérience (photo prise par Gert Bauer)

Nous avons simulé un ensemble d'immeubles. Le sol est en sable, ce qui est préférable car c'est inflammable. Idem pour les immeubles qui sont en brique. Le fond est un tableau noir pour mieux visualiser la fumée.

2.3 Commencer l'expérience :

1. Comme base, utilisez une paillasse en carrelage ou une feuille plastique sur laquelle vous aurez mis du sable.
2. Fixez des petits bouts de laine qui permettent de visualiser le vent, sur le coin gauche ou droit selon la direction du flux d'air. On peut aussi lacher des petites boules de polystyrène ou de la cendre pour le visualiser.
3. Vous pouvez utiliser des briques de jus de fruits (remplies d'eau si vous les avez bues!) à la place des briques.
4. On peut simuler les rues avec des feuilles d'aluminium.
5. La fumée est fabriquée en mettant le feu à des pommes de pin. Pour fabriquer de la fumée par un autre moyen, vous pouvez aller voir ici.
6. Le sèche-cheveux va vous servir à fabriquer du vent. On peut régler la puissance sur la plupart des sèche-cheveux. Vous pouvez aussi utiliser un ventilateur, mais le flux d'air risque alors d'être un peu trop diffus.
7. Le vaporisateur permet d'humidifier les pommes de pin, pour faire plus de fumée.

Expérience 1

On va d'abord regarder la façon dont le vent circule autour d'un bâtiment à plusieurs étages.
Le vent passe par dessus le bâtiment, ou bien le contourne par les côtés. Sa vitesse augmente alors de 20%.

Simulation du flux de vent autour d'un bâtiment
(auteur: Mateusz Kaminski)

Soufflez la fumée sur le premier bâtiment. Dirigez d'abord le flux vers l'arête supérieur de la brique, à 30 -50 cm (aidez-vous du tube avec le poster pour diriger la fumée). La fumée doit passer par dessus le bâtiment uniquement. Vous pouvez varier la distance entre la brique et la "machine à fumée" pour trouver la position idéale. Variez ensuite l'angle entre la brique et le flux d'air pour visualiser comment se comporte le vent lorsqu'il arrive devant un bâtiment.

Cliquez sur l'icône "movie" ci-contre pour voir ce que donne l'expérience (réalisée par G. Bauer et B. Wohlhöfer)

Flux d'air contre un bâtiment (photo prise par Gert Bauer)

Clique sur l'icône pour voir une vidéo de l'expérience (réalisée par G. Bauer et B. Wohlhöfer)

Expérience 2

On va maintenant regarder comment le vent se comporte à l'arrière des maisons et comment il tourbillonne entre elles.

Simulation du vent autour de bâtiments
(auteur: Mateusz Kaminski)

Pour cela, le vent doit être perpendiculaire aux faces des bâtiments. La source de fumée doit être placée devant la première façade. L'ouverture de votre "machine à fumée" doit se trouver à 30 - 50 cm, pour qu'une partie du vent passe par dessus les bâtiments. Ainsi, le vent passe par dessus les immeubles, les contourne ou tourbillone devant les façades arrières.

Flux d'air (simplifié) face à une rangée de bâtiments (photo prise par Gert Bauer)

Cliquez sur l'icône ci-contre pour voir une vidéo de l'expérience (réalisée par G. Bauer et B. Wohlhöfer)

Expérience 3

Dans cette expérience nous allons simuler le quartier d'une ville. Ici il faut que les immeubles du fond (vers le tableau noir) soit 3 fois plus hauts que les bâtiments de devant. Au centre des briques, laissez un petit espace pour simuler un square ou un grand carrefour. Cette expérience doit montrer comment le vent circule dans une ville, aux coins des rues, dans les parcs, et que sa vitesse peut augmenter de 20%. Le vent souffle de la gauche dans la rue entre les immeubles. En réalisant cette expérience, nous avons constaté que les tourbillons sont plus forts lorsque le flux de vent et la fumée soufflaient dans la rue avec un angle de 45°.

Flux d'air au milieu des bâtiments (photo prise par Gert Bauer)

Cliquez sur l'icône ci-contre pour voir une vidéo de l'expérience (réalisée par G. Bauer et B. Wohlhöfer)

Lorsque vous aurez fini votre expérience, vous pourrez la comparer aux vidéos.

Parlez de ces expériences avec votre professeur de sciences!

3. Importance du vent dans les villes

3.1 Tests en tunnel à vent

Avant de construire de nouveaux quartiers dans une ville, il arrive qu'on teste dans des "tunnels à vent" la façon dont le vent va y souffler et si on peut éviter la formation de bourrasques de vent aux coins des rues. L'image ci-dessous montre une maquette servant à tester dans un tunnel à vent la nouvelle Potsdamer Platz à Berlin.

Photo prise par E. Uherek à l'exposition sur le climat du musée allemand de Munich

Les paramètres qui ont le plus d'influence sur les effets du vent dans la ville sont la direction du vent et la rugosité du sol (la ville est-elle plus ou moins "lisse"?). Ces paramètres sont simulés dans le tunnel à vent. On peut ainsi regarder en détail ce qui peut se passer autour d'un bâtiment, dans un quartier ou dans une ville entière.
Les résultats de ce genre de test peuvent ressembler à ceci:

Plan de construction d'un nouveau quartier, montrant les endroits où le vent est augmenté: en violet, la vitesse du vent augmente énormément; en rouge, elle augmente beaucoup; en jaune, elle augmente modérement. Auteur: Mr. Müller, Stuttgart, source: www.stadtklima.de/stuttgart/websk21/Heft13/kap3.HTM

Autres liens :

www.ruscheweyh.de/bauwesen.php
www.gfa.de/de/Windlasten/windlast.html

3.2. Force du vent sur un bâtiment

Lorsqu'il souffle, le vent exerce une force contre les bâtiments, qui est variable. Il appuie directement sur les faces des bâtiments qui sont exposées au vent, et indirectement en s'engouffrant dans les espaces entre les immeubles; ceci est fonction de la direction principale du vent et de sa vitesse. C'est très important lorsqu'on construit un gratte-ciel, car les étages supérieurs subissent énormément les assauts du vent.
L'animation suivante montre la variation de cette force, en fonction de la direction du vent :

Force du vent sur un bâtiment, auteur: Gesellschaft für Aerophysik mbH, Munich, source de l'animation : www.gfa.de/de/Windlasten/windlast.html

Autres iens sur les gratte-ciels dans le monde (en anglais):

www.skyscrapers.com/re/en/

A propos de cette page:

- Auteurs: G. Bauer, B. Wohlhöfer- University of Nürnberg - Allemagne
- relecteurs pédagogiques: Prof. Dr. Schrettenbrunner, J. Heres
- dernière version : 09.09.03

Last modified: Saturday, 4 January 2020, 8:42 PM