Comment les guides de rafting repèrent-ils les rochers grâce aux V à la surface de l’eau ?
― Un V pointé vers l’amont, c’est un rocher ; un V pointé vers l’aval, c’est un passage
Le guide d’un raft dans les rapides ne scrute pas le fond de l’eau. Il regarde le sens des « V » dessinés à la surface. Au bout d’un V pointé vers l’amont, il y a un rocher. Dans un V pointé vers l’aval, l’eau est profonde et le passage libre. Cette lecture vient de l’angle auquel le courant laisse derrière lui les petites ondulations créées par le rocher.
Vous descendez une gorge en raft pneumatique. Devant vous, l’eau est blanche et agitée. Impossible de deviner où se cachent les rochers.
Pourtant, à l’arrière, le guide dit d’une voix calme : « On évite le V de droite et on prend le V qui pointe vers l’aval, au milieu. » Le bateau se glisse sans encombre entre les rochers.
Le guide ne voit pas le fond de cette eau trouble. Il lit simplement les motifs de la surface pour distinguer les rochers des passages.
Deux raisons suffisent à expliquer ces V
Un rocher affleurant repousse le courant et crée de petites ondulations. Elles cherchent à s’étaler dans toutes les directions, mais le courant, plus rapide, les emporte vers l’aval. Il se forme alors un « V pointé vers l’amont », avec le rocher en tête.
Quand deux rochers sont côte à côte, les lignes intérieures de leurs V se rencontrent en aval. Entre ces deux lignes, une bande d’eau lisse et sombre forme un « V pointé vers l’aval ». C’est l’endroit, entre les rochers, où l’eau est la plus profonde et la plus concentrée.
Autrement dit, le V vers l’amont comme le V vers l’aval viennent des mêmes « lignes d’ondulation créées par le rocher ». Ils semblent orientés différemment seulement parce que l’on regarde soit les lignes extérieures, soit les lignes intérieures.
Pourquoi un V pointé vers l’amont signale-t-il un rocher ?
Si vous plongez un doigt dans un étang calme, des ronds se propagent tout autour. Et si vous laissez votre doigt dans le courant d’une rivière ?
Dans une eau peu profonde, la vitesse à laquelle une ondulation se propage à la surface ne dépend presque que de la profondeur. Pour 30 centimètres d’eau, elle est d’environ 1,7 mètre par seconde. Si le courant est plus rapide, l’ondulation ne peut pas remonter vers l’amont. Tout en s’étalant sur les côtés, elle est entraînée en bloc vers l’aval.
Résultat : la zone atteinte par les ondulations prend la forme d’un V, le rocher en tête. À la pointe du V, il doit y avoir l’objet qui a provoqué l’ondulation. Voilà pourquoi, devant un V pointé vers l’amont, on peut en déduire qu’un rocher se trouve à son sommet.
Regardez la partie haute de la figure 1. Chacun des deux rochers émet un V pointé vers l’amont. Les lignes intérieures de ces V se rejoignent et forment le V pointé vers l’aval.
L’ouverture du V renseigne même sur la vitesse du courant
L’ouverture du V n’est pas toujours la même. Plus le courant est rapide, moins les ondulations ont le temps de s’étaler : elles sont emportées aussitôt. Le V devient donc étroit et pointu. Quand le courant ralentit, le V s’ouvre largement.
Faites varier la vitesse du courant avec le curseur de la figure 2. Dans un rapide de 30 centimètres de profondeur, avec un courant de 3 mètres par seconde, chaque côté du V s’ouvre d’environ 35 degrés. À 6 mètres par seconde, il se resserre à environ 17 degrés.
Le guide retient cette relation non pas en chiffres, mais à l’instinct. Là où se succèdent des V étroits et pointus, le courant est rapide. Si l’on n’a pas décidé tôt de l’orientation du bateau, il est trop tard.
Au-dessus d’un rocher affleurant, l’eau se soulève d’abord, puis forme une bosse un peu plus loin en aval. Les débutants croient souvent qu’on est à l’abri en deçà de la bosse. Mais, comme le montre la partie basse de la figure 1, le rocher se trouve en amont de la bosse. C’est pourquoi les guides préviennent : « le rocher est juste avant la bosse ».
Autour d’un avion plus rapide que le son se forme aussi une onde en forme de cône, de même nature. La vitesse du son et la vitesse des ondulations à la surface de l’eau jouent le même rôle. Du temps où les souffleries coûtaient cher, des chercheurs observaient ces ondes sur une table où coulait une eau peu profonde. On appelle cette méthode l’analogie hydraulique.
En résumé
Les ondulations créées par un rocher sont laissées derrière par le courant rapide et forment un V avec le rocher en tête. Lorsque les côtés intérieurs des V de deux rochers se rencontrent en aval, ils dessinent un V pointé vers l’aval qui borde un passage profond. Plus le V est étroit, plus le courant est rapide.
À la pointe du V, il y a ce qui a créé l’ondulation.
Les motifs de la surface sont la carte du fond invisible de la rivière.
Le danger des endroits où l’eau mousse est présenté dans l’article sur l’écume blanche des rivières, et les vagues dont l’angle ne change pas en eau profonde dans celui sur le sillage en V d’un canard qui nage. Pour la forme même des rivières, voyez aussi comment les rivières font des méandres.
- Ouvrez le robinet en mince filet pour créer un film d’eau qui s’étale en couche fine au fond d’un évier plat.
- Plantez la pointe d’une baguette dans le courant. Vous verrez des lignes de vagues en V s’ouvrir vers l’aval, la baguette en tête.
- Augmentez le débit et comparez : le V devient-il plus étroit ? Vous retrouverez la même forme autour des pierres d’un ruisseau peu profond.
Observez au bord d’un ruisseau seulement là où l’eau ne dépasse pas les chevilles, et toujours accompagné d’un adulte. N’entrez pas dans une rivière au courant rapide : regardez depuis la berge.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuelsLe niveau de chaque passage est indiqué, du collège aux cours universitaires spécialisés
- CollègeCe qu’on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu’on apprend en « physique » au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré des manuels
- Univ.Matières spécialisées de l’université (hydraulique, mécanique des fluides), non vues au lycée
- RechercheQuestions que les chercheurs étudient encore, même à l’université non enseignées comme acquises
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Onde en eau peu profonde : onde dont la longueur d’onde est bien plus grande que la profondeur. Sa vitesse ne dépend que de la profondeur : plus l’eau est profonde, plus elle est rapide.
- Écoulement torrentiel et fluvial : quand le courant est plus rapide que l’onde en eau peu profonde, on parle d’écoulement torrentiel ; quand il est plus lent, d’écoulement fluvial. Le V n’apparaît nettement qu’en régime torrentiel.
- Nombre de Froude : vitesse du courant divisée par la vitesse de l’onde en eau peu profonde. Au-dessus de 1, l’écoulement est torrentiel ; en dessous, fluvial.
CollègeLycéeVérifier par la formule : l’angle du V dans un rapide de 30 cm de profondeur à 3 mètres par seconde
La grandeur cherchée est la demi-ouverture θ (thêta) du V. On la tire du rapport entre la distance dont l’ondulation s’étale sur le côté et celle dont le courant l’emporte.
| En symboles | sin θ ＝ √( g × h ) ÷ v |
| En mots | sinus de l’ouverture du V ＝ vitesse de l’ondulation à la surface ÷ vitesse du courant (la vitesse de l’ondulation est la racine carrée de l’accélération de la pesanteur × la profondeur) |
| D’où vient cette formule | Pendant un même temps, l’ondulation partie du rocher s’étale sur le côté de « vitesse de l’ondulation × temps », tandis que le courant l’emporte de « vitesse du courant × temps » vers l’aval. Ces deux distances sont les deux côtés d’un triangle rectangle, et leur rapport fixe l’angle du V. C’est la même forme que l’angle de Mach, connu pour les ondes d’un avion supersonique. |
| Symbole | Sens et unité |
| θ | Demi-ouverture du V (degrés) |
| g | Accélération de la pesanteur (m/s²) |
| h | Profondeur de l’eau (m) |
| v | Vitesse du courant (m/s) |
| Accélération de la pesanteur g | 9.8 m/s² |
| Profondeur du rapide h | 0.3 m |
| Vitesse du courant v | 3 m/s |
| Pesanteur × profondeur | 9.8 × 0.3 ＝ 2.94 |
| Vitesse de l’ondulation (racine carrée de 2,94) | environ 1.71 m/s |
| Vitesse de l’ondulation ÷ vitesse du courant ＝ sin θ | 1.71 ÷ 3 ＝ 0.57 |
| Angle dont le sinus vaut 0,57 | environ 35 degrés |
| Ouverture totale du V | 35 × 2 ＝ 70 |
| Vitesse du courant ÷ vitesse de l’ondulation | 3 ÷ 1.71 ≒ 1.75 |
Chaque côté du V s’ouvre d’environ 35 degrés, soit environ 70 degrés au total. Le courant va environ 1,75 fois plus vite que l’ondulation : la condition d’apparition d’un V net est remplie. Dans le même rapide, avec un courant de 6 mètres par seconde, le sinus vaut 1,71 ÷ 6 ≒ 0,29 et l’ouverture de chaque côté se resserre à environ 17 degrés.
LycéeLycée+Superposition d’ondes et parenté avec les ondes de choc
LycéeLe rocher émet des ondulations sans cesse. Si l’on superpose les cercles d’ondulation émis à des instants successifs, ils ont une tangente commune qui les enveloppe. C’est la ligne du V, que l’on explique par la même construction que le principe de Huygens. C’est le cas extrême de l’effet Doppler d’une sirène d’ambulance, lorsque la source se déplace plus vite que l’onde.
Lycée+Pour l’onde de choc conique qui entoure un avion supersonique, le sinus du demi-angle au sommet vaut « vitesse du son ÷ vitesse de l’avion ». On l’appelle angle de Mach. Dans un écoulement en eau peu profonde, la vitesse de l’onde joue le rôle de la vitesse du son, et « vitesse du courant ÷ vitesse de l’ondulation » celui du nombre de Mach.
Univ.Équations en eau peu profonde et ressaut oblique
Un écoulement en eau peu profonde est décrit par les équations de Saint-Venant. Elles ont mathématiquement la même forme que celles d’un écoulement bidimensionnel de gaz compressible. Aussi un obstacle dans un écoulement torrentiel crée-t-il des fronts d’onde obliques, comme un objet dans un écoulement supersonique. Quand la hauteur des vagues est grande, ces fronts deviennent des « ressauts obliques », où le niveau de l’eau monte brutalement, et l’angle s’écarte de la formule ci-dessus. L’étude de phénomènes de dynamique des gaz dans un canal est appelée analogie hydraulique ; elle aurait été systématisée dans les années 1930.
📖 Dérivation des formules et approfondissements : Nombre de Froude (Wikipédia en japonais) ／ Ressaut hydraulique (Wikipédia en japonais)
RechercheCe que l’on ne sait pas encore bien
- Les vagues d’une vraie rivière ne suivent pas exactement la formule du manuel. Dans un rapide réel, le fond est irrégulier et le courant plein de tourbillons. Prédire avec précision l’angle du V et la position de la bosse dans un écoulement turbulent reste un sujet de recherche.
- La limite où les vagues déferlent en blanc. À quelles conditions un V lisse se brise-t-il en vagues blanches ? Comme cela fait intervenir l’air emprisonné, c’est un problème difficile même pour le calcul numérique.
- Mettre en mots la « lecture » des experts. Des essais consistent à noter quels indices de surface le guide regarde, et dans quel ordre, pour les utiliser en formation à la sécurité. On ne sait pas encore jusqu’où l’on peut transformer cette sagesse d’expérience en procédure.
Le contenu de cet article n’est donc lui aussi qu’une « explication dans l’état actuel des connaissances ». La lecture des V est un puissant repère, mais dans une vraie rivière il existe des exceptions.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences physiques, « Propagation du son et des ondes » | Comparer la vitesse d’étalement des ondulations et celle du courant |
| Lycée | Physique, « Propriétés des ondes », « Effet Doppler » | Construction du V par le principe de Huygens |
| Lycée+ | Physique (approfondissement), « Ondes de choc » | Correspondance avec l’angle de Mach |
| Univ. | Hydraulique, mécanique des fluides | Équations en eau peu profonde, écoulements torrentiel et fluvial, ressaut oblique |
| Recherche | Hydraulique fluviale, turbulence | Prédire les vagues dans un rapide turbulent |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Lire la surface de l’eau en rafting, en canoë, à la pêche en torrent |
- Wikipédia (japonais) « フルード数 » (nombre de Froude)
- Wikipédia (japonais) « 跳水 » (ressaut hydraulique)
- 日野幹雄『明解 水理学』丸善 (Hino Mikio, « Hydraulique expliquée clairement », Maruzen ; sur les écoulements torrentiel et fluvial et le ressaut oblique)
- Les Bechdel, Slim Ray, River Rescue (sur la lecture de la surface dans les rapides)
- Preiswerk, E. (1938) : application des méthodes de la dynamique des gaz aux écoulements à surface libre (thèse de l’École polytechnique fédérale de Zurich ; ouvrage classique de l’analogie hydraulique)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. Pour les activités nautiques comme le rafting, suivez toujours les consignes d’un guide expérimenté ou du responsable du site.