Si vous êtes un adepte des randonnées, vous avez sans doute remarqué ce phénomène : il y a beaucoup plus de vent en montagne qu’à son pied, avec parfois des écarts importants de vitesse. Pourtant, seuls quelques kilomètres séparent ces deux endroits. Comment expliquer un tel écart ?

La principale différence entre ces deux zones est le relief. En effet, le pied de la montagne est relativement plat par rapport au cœur de la montagne, où le relief a tendance à former des couloirs et des obstacles. Ces derniers modifier l’écoulement de l’air en l’accélérant : c’est  « l’effet Venturi »

Qu’est-ce que l’effet Venturi ?

Pour comprendre ce phénomène, prenons un tuyau composé de deux parties, avec des sections différentes.

Tuyau à section variable. Zone A : grande section; Zone B : petite section

Injectons de l’eau dans le tuyau par la gauche à débit massique constant, par exemple 10 kilogrammes par seconde. En l’espace d’une seconde, 10 kilogrammes d’eau ont donc traversé la section d’entrée du tuyau.

En mécanique des fluides, il existe un principe important et très simple : la conservation du débit massique. En effet, en régime établi, ce dernier se conserve. Ainsi, quelle que soit la position où l’on se trouve dans le tuyau, le débit massique est le même. Que l’on prenne une section droite, au centre, ou à l’extrémité droite du tuyau, le débit massique à travers ces sections sera toujours le même, à savoir 10 kg/s.

Débit de 10 kg/s quelle que soit la section du tuyau

Intéressons-nous à présent à deux sections droites du tuyau. Comme nous l’avons vu, le débit d’eau passant à travers ces deux sections doit être identique, soit 10 kg/s. Chronomètre en main, nous mesurons la quantité d’eau qui est passé à travers les deux sections. Voici ce que nous obtenons :

Quantité d’eau traversant les sections 1 et 2 en une seconde

 

Pour un liquide, la densité est la même partout. Ces deux masses d’eau occupent donc le même volume, mais avec des formes différentes. On constate que le cylindre de droite est beaucoup plus allongé par rapport à celui de gauche. En effet, leur volume est le même mais leur section est différente. Le cylindre  de gauche est donc plus allongé afin de contenir autant d’eau que le premier cylindre. De plus, ces deux volumes mettent exactement 1 seconde pour traverser leur section respective.

La diminution de section engendre une accélération du fluide (Zone B)

Le deuxième volume d’eau étant plus long, il doit être plus rapide que le premier cylindre afin que la totalité du volume traverse la section en 1 seconde. Le premier volume étant moins long, il peut se permettre d’un plus lent.

Nous savons donc que le débit se conserve le long de la totalité du tuyau. Les deux sections doivent ainsi voir passer 1 kg d’eau en 1 seconde. Comme le fluide est incompressible, le débit volumique se conserve également. La variation de section impose une variation de la vitesse du fluide, afin de conserver le débit à travers les deux différentes sections. Cette variation de vitesse causée par une variation de section est l’effet Venturi.

Plus la section diminue, plus le fluide prend de la vitesse.

Le relief montagneux

Le mouvement des masses d’air (ou plus simplement le vent) est également soumis à l’effet venturi. La variation de section autour du fluide induit nécessairement une variation de vitesse.  Plaçons-nous proche d’une montagne, avec peu de relief au pied de cette dernière.

Zone montagneuse

Pour le vent, la plaine (zone A) est assimilable à un tuyau avec une grande section. À l’inverse, la zone montagneuse (zone B) correspond à un tuyau à faible section. En effet, dans la première zone, les masses d’air sont libres de se déplacer, sans contrainte géométrique. À l’inverse, dans la zone montagneuse, le relief contraint les masses d’air à éviter les roches. L’air a donc moins d’espace pour se déplacer. C’est pourquoi on peut assimiler cette zone à un tuyau de faible section.

De plus, dans ces conditions (c’est-à-dire à faible vitesse par rapport à celle du son), l’air se comporte comme l’eau : sa densité est la même partout. Le débit volumique se conserve, ce qui induit une accélération du fluide lorsque la section diminue : c’est l’effet Venturi

Masses d’air accélérées à cause de l’effet Venturi ( la diminution de section induit une augmentation de la vitesse )

L’air va donc être accéléré au passage des obstacles du relief de la montagne

Conclusion

Lorsqu’un fluide est en mouvement, le débit massique est conservé. En effet, si 10 kg/s de fluide entrent à un endroit, alors 10kg/s de fluide en sortent. Cela peut paraître évident, mais ce point est essentiel. La plupart du temps, la densité du fluide est constant (sauf lorsque la vitesse du fluide est supérieure à celle du son). Le débit massique est donc proportionnel au débit volumique. Si 1 mètre cube de fluide entre à un endroit, alors 1 mètre cube en sort ! Or, le volume dépend de la section contenant le fluide. Pour conserver le débit volumique malgré une diminution de section, le fluide devra accélérer. Inversement, si la section augmente, la vitesse du fluide va diminuer : C’est l’effet Venturi.

En montagne, les masses d’air se déplaçant au pied de la montagne imposent un débit massique. Lorsque le vent atteint la montagne, la section du tuyau fictif diminue à cause des obstacles du relief. D’après l’effet Venturi : l’air est accéléré !