Protection antisismique : pourquoi pas une cape d’invisibilité ?

Propagation des ondes de flexion sur la plaque, les ondes contournent la zone où se trouve l'obstacle. © Mohamed Farhat, Sebastien Guenneau, Stefan Enoch.

Propagation des ondes de flexion sur la plaque, les ondes contournent la zone où se trouve l'obstacle. © Mohamed Farhat, Sebastien Guenneau, Stefan Enoch.

Des écoles et des hôpitaux équipés pour ne pas ressentir les effets d’un séisme… Des chercheurs du CNRS ont imaginé à l’Institut Fresnel de Marseille (1) un dispositif qui isole des ondes sismiques les plus dévastatrices. Conçue à partir de modèles mathématiques, cette « cape d’invisibilité » laisse présager des applications allant de l’industrie automobile et aéronautique aux protections antisismiques. L’étude paraît dans la revue Physical Review Letters du 10 juillet 2009 (référence 1 ci-dessous).

La cape d’invisibilité

La « cape d’invisibilité » est une plaque mince structurée de manière à contrôler la propagation de certaines ondes pour les dévier d’un obstacle. Ainsi, un objet placé au centre de cette cape ne sera pas touché par ces ondes, mais simplement contourné. La protection se présente sous forme d’anneaux concentriques constitués de différents matériaux. L’ensemble constitue un métamatériau qui possède des propriétés qu’on ne retrouve pas dans un matériau naturel.

La cape d’invisibilité ne permet pas néanmoins de détourner tous les types d’onde sismique (2). Les ondes de surface, d’une amplitude généralement plus forte que les autres, produisent les effets les plus destructeurs des séismes. Les équations qui régissent ce type d’onde sont invariantes par transformation géométrique : cette caractéristique, mise en évidence par les chercheurs de l’Institut Fresnel, leur a permis de concevoir la cape d’invisibilité (3).

Sa mise en application contre les séismes nécessite encore du travail

Sa mise en application contre les séismes nécessite encore de travailler en collaboration avec des géologues pour s’adapter aux contraintes de terrain. A plus petite échelle, la cape pourra supprimer les vibrations gênantes dans les industries automobile et aéronautique.

En 2008, la même équipe avait déjà conçu une cape d’invisibilité contre les vagues (voir encart et référence 2 ci-dessous), ayant le même effet mais fonctionnant sur un principe physique différent. Cette cape à vagues suscite des essais à grande échelle et des applications sont envisagées pour favoriser la reproduction de poissons en zones tropicales ou encore pour la protection de côtes calcaires telles que les falaises d’Albion.

Une cape d’invisibilité pour les vagues

Des chercheurs de l’Institut Fresnel à Marseille (France) en collaboration avec le département de mathématiques de l’université de Liverpool (Grande Bretagne), ont montré que l’on pouvait « rendre invisible » aux vagues un objet en les guidant grâce à un métamatériau, dans ce cas une structure composée de piliers rigides.

Ainsi l’invisibilité qui avait été montrée pour les ondes électromagnétiques par Sir John Pendry de l’Imperial College à Londres (Grande Bretagne) et ses collaborateurs à Duke University (USA) devient possible pour des ondes de nature totalement différente.

Le métamatériau se comporte comme un liquide anisotrope homogène qui guide les vagues et accélère leur vitesse tangentielle lorsqu’elles s’approchent du centre de la structure, un peu comme dans un tourbillon. Le liquide anisotrope présente une viscosité de cisaillement qui dépend de la direction de propagation et force les vagues à contourner la zone centrale et reprendre leur cours comme si de rien n’était.

Ce type de structure pourrait constituer une nouvelle voie pour la protection des installations maritimes, telles que les stations off-shore ou des zones côtières comme, par exemple, des infrastructures portuaires.


Notes :
(1)
CNRS / Université Paul Cézanne / Ecole centrale Marseille / Université de Provence
(2) Les ondes sismiques se déclinent en trois catégories : les ondes de pression, de cisaillement et de surface
(3) Les ondes de surface sont régies par des équations bi-harmoniques issues de la théorie des plaques minces. Les ondes de pression et de cisaillement sont régies par les équations de Navier, qui ne sont pas invariantes par transformation géométrique.

Références :
Article 1 :
Ultrabroadband Elastic Cloaking in Thin Plates.
Auteurs : Mohamed Farhat, Sebastien Guenneau, Stefan Enoch.
Journal de publication : Physical Review Letter (2009)

Article 2 : Broadband cylindrical acoustic cloak for linear surface waves in a fluid
Auteurs : Mohamed Farhat, Stefan Enoch, Sebastien Guenneau, et Alexander B. Movchan
Journal de publication : Physical Review Letters (2008)

Source : CNRS

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