Léonard de Vinci avait observé ce détail dans l’eau il y a 500 ans : des scientifiques viennent enfin d’expliquer pourquoi ces bulles zigzaguent

En Italie, des physiciens européens viennent confirmer une intuition de Léonard de Vinci sur le comportement étrange de bulles d’air dans l’eau.

Un phénomène du quotidien, observé dès le XVIe siècle par Léonard de Vinci, vient d’être expliqué avec précision par deux chercheurs espagnol et britannique. Leur étude, présentée par le site d’actualité italien qui l’a relayée, montre comment le génie de la Renaissance avait vu juste, cinq siècles avant la science moderne.

Un mystère de l’eau qui fascinait déjà Léonard de Vinci

L’article du média en ligne italien, daté du 21 janvier 2023, rappelle que Léonard de Vinci s’était intéressé de près au mouvement des bulles d’air dans l’eau. Entre 1504 et 1508, il consacre plusieurs notes et dessins à ce sujet dans le Codex Leicester, un manuscrit où il étudie l’eau sous toutes ses formes.

Le peintre et ingénieur italien remarque alors un détail subtil : les petites bulles montent verticalement, selon une trajectoire stable, alors que les bulles plus grosses se mettent à osciller, comme hésitantes, en décrivant des trajectoires en zigzag ou en spirale.

Dans ses notes, Léonard de Vinci distingue déjà deux comportements : une montée rectiligne pour les petites bulles, un trajet chancelant pour les plus grandes.

Pour Léonard, ce comportement n’a rien d’anodin. Il s’inscrit dans un ensemble plus large de réflexions sur les écoulements, les tourbillons, la force des fleuves et les mouvements internes de l’eau. À l’époque, aucun outil de mesure ni aucune théorie mathématique ne permet de décrire finement ces phénomènes. Le génie florentin se contente d’observer, de dessiner et de formuler des intuitions.

Une étude moderne met enfin des chiffres sur l’intuition de Léonard

Cinq siècles plus tard, deux chercheurs, Miguel Ángel Herrada de l’université de Séville et Jens G. Eggers de l’université de Bristol, publient dans la revue scientifique PNAS un travail qui répond précisément à la question posée par Léonard : pourquoi, à partir d’une certaine taille, les bulles cessent-elles de monter en ligne droite ?

Leur étude s’appuie sur des simulations numériques avancées. En modélisant le mouvement des bulles dans l’eau avec une grande précision, ils parviennent à identifier un seuil très clair. Selon les auteurs, « les bulles dans l’eau dévient de la trajectoire linéaire lorsque leur rayon sphérique dépasse 0,926 millimètre ».

Au-delà d’un rayon d’environ 0,926 millimètre, la bulla d’air devient instable, sa trajectoire se met à osciller et à se répéter de manière périodique.

Ce chiffre correspond à ce que Léonard avait pressenti qualitativement : seules les bulles suffisamment grandes présentent ce comportement sinueux. L’étude précise que le mouvement n’est pas aléatoire. Il s’agit d’un mouvement périodique, soit en zigzag, soit en spirale, qui se stabilise au fil de la montée.

Quand la bulle devient instable : ce qui se passe exactement

L’instabilité des bulles au-delà de cette fameuse « dimension critique » tient à un équilibre délicat de forces dans le fluide. La flottabilité pousse la bulle vers le haut, tandis que la viscosité de l’eau et la tension superficielle tendent à maintenir sa forme. Une fois le rayon dépassant le seuil identifié, ce fragile équilibre se rompt.

Les chercheurs montrent que le mouvement oscillatoire modifie la courbure de la bulle. Sa surface se déforme légèrement, ce qui change localement la pression et la façon dont l’eau s’écoule autour d’elle. La bulle accélère ou ralentit par endroits, ce qui l’amène à dévier de son axe, puis à amorcer un mouvement répétitif. Ce « traballamento », comme le décrit le média italien, finit par s’installer et dessine les spirales dont Léonard a laissé des croquis dans le Codex Leicester.

• En dessous d’un rayon de 0,926 mm : montée presque rectiligne, stabilité de forme.
• Au-dessus de 0,926 mm : apparition d’oscillations, déformation de la bulle.
• Après quelques instants : trajectoire périodique en zigzag ou en spirale.

Le Codex Leicester, un manuscrit entièrement dédié à l’eau

L’article italien remet aussi cette découverte scientifique dans le contexte plus large de la passion de Léonard pour l’eau. Le Codex Leicester se distingue des autres manuscrits du maître par sa spécialisation : il ne traite que d’un seul thème, l’eau, sous ses aspects physiques, géologiques et même cosmologiques.

On y trouve des études d’ingénierie hydraulique, des schémas de canaux, des réflexions sur les sources, les nappes souterraines ou la formation des rivières. Léonard y décrit le mouvement des « veines d’eau » sous la surface terrestre et s’intéresse aux phénomènes d’érosion, de sédimentation et aux crues.

Le Codex Leicester rassemble observations et projets hydrauliques, mais aussi des idées novatrices sur la formation de la Lune et de la Terre.

Le manuscrit a été acheté en 1994 par Bill Gates pour environ 30 millions de dollars, rappelle le site italien. Il a été exposé notamment aux Offices, à Florence, à l’occasion des commémorations des 500 ans de la mort de Léonard de Vinci. Ce document illustre de manière rare la manière dont l’artiste mêlait observation directe, imagination technique et réflexion théorique.

Des projets hydrauliques très concrets pour Florence

Le texte rappelle qu’au retour de Léonard à Florence, entre 1501 et 1510, son intérêt pour l’eau ne reste pas théorique. Il conçoit des projets ambitieux d’ingénierie hydraulique, dont un plan pour dévier le cours de l’Arno. L’objectif : protéger la ville des inondations et donner au fleuve un tracé plus contrôlable.

Ce projet ne sera jamais pleinement réalisé, mais il témoigne de la façon dont Léonard passe de l’observation des bulles ou des tourbillons à des propositions très concrètes pour aménager le territoire. Pour lui, comprendre l’eau, qu’il s’agisse d’un torrent ou d’une simple bulle d’air, reste la clé pour maîtriser la nature et bâtir des ouvrages durables.

Ce que cette recherche apporte à la physique des fluides

Pour la physique moderne, l’intérêt de ce travail ne se limite pas à la confirmation posthume de Léonard. L’étude parue dans PNAS affine la compréhension des instabilités dans les écoulements biphasés, où un gaz se déplace dans un liquide. Ce type de configuration intervient dans des domaines variés : procédés industriels, climatisation, transferts de chaleur, ou encore certaines technologies médicales.

Le fait de connaître avec précision le seuil de taille à partir duquel une bulle perd sa stabilité permet par exemple de mieux prévoir l’efficacité des systèmes où les bulles servent à mélanger ou à transporter de la chaleur. De nombreux modèles utilisaient jusqu’ici des approximations. Le travail détaillé de Herrada et Eggers apporte des bases plus solides, directement issues de calculs complexes et de simulations fines.

En France aussi, l’héritage de Léonard nourrit la recherche

Si cette étude est signée par des chercheurs espagnol et britannique, la question du mouvement des bulles et, plus largement, de la dynamique des fluides, occupe aussi de nombreux laboratoires en France. Des institutions comme le CNRS, des écoles d’ingénieurs ou des universités travaillent sur des problématiques proches : instabilités, turbulence, dispersion de bulles ou de gouttelettes dans l’eau ou l’air.

Pour un lecteur français, l’exemple de cette publication illustre la façon dont des observations anciennes, dessinées dans un manuscrit conservé et parfois exposé à Florence, continuent de nourrir une discipline très active. Les notions de taille critique, d’instabilité et de trajectoires non linéaires sont largement étudiées dans les cursus de mécanique des fluides en France, même si les chiffres précis, comme ce rayon de 0,926 millimètre, proviennent ici de ce travail spécifique publié dans PNAS.

Un phénomène que chacun peut observer chez soi

Le phénomène décrit par Léonard et analysé par les chercheurs n’est pas réservé aux laboratoires. Il apparaît dans de nombreuses situations quotidiennes : dans un verre d’eau gazeuse, une carafe sous un robinet ou un aquarium. À petite échelle, il reste difficile de distinguer précisément la taille des bulles, mais un œil attentif peut repérer que certaines bulles filent droit, alors que d’autres semblent danser.

Comprendre ce qui se joue derrière cette « danse » des bulles donne un regard différent sur ces scènes banales. La trajectoire zigzagante n’est pas un simple caprice de la nature, mais le résultat d’une limite très nette dans l’équilibre des forces, franchie dès qu’une bulle grossit au-delà de ce seuil critique.

Pour des passionnés de sciences ou des enseignants, le sujet se prête à des expériences simples : observer des bulles dans différents récipients, comparer leurs trajectoires, filmer au ralenti. Sans atteindre la précision des simulations, ces observations directes prolongent, à leur manière, le geste de Léonard de Vinci penché sur ses carnets.