The Battle of Actium : zoology of waves-currents-ships interactions
La Bataille d'Actium : zoologie des interactions ondes-courants-bateaux
Résumé
The naval battle of Actium, located in the mouth of the Ambracian Gulf, is a turning point of Antiquity as is featured three historical figures (Octavian versus Cleopatra and Antony) against each other. The battle had an unexpected outcome, with Octavian's fleet defeating Antony's, despite its more sizeable ships. To solve this mystery, the commentators of the time mentioned the echeneis, a fish that had the power to slow down a galley by itself.In the light of modern oceanographic measurements, and based on a multidisciplinary work, this thesis focuses on understanding the events that took place on September 2nd 31 BC. The mouth of the Gulf has two singularities: shallow waters and a density stratification that makes the gulf the only fjord in the Mediterranean. Each of these aspects has been explored through laboratory experiments, supported by analytical calculations.In a towing tank, a reproduction of the ancient galley Olympias is towed at constant speed. The analysis of the free surface shows that the ship's wake presents a particular pattern accompanying the drag crisis due to shallow water effects. At speeds close to those required for the martial technique of ramming, the divergent waves in the wake unfold, forming parallel bands. The drag peak and the waves’ amplitude are more pronounced as the ratio between draft and depth is big, thus favouring light galleys.The presence of a bi-layer with a density step at the pycnocline, a singular nature of the mouth, is known to be responsible for another phenomenon of ship slowing down, called the dead-water effect. According to earlier literature, the movement of a ship within a stratification leads to the generation of internal waves, again causing drag, and to speed oscillations. From the development of a subpixel detection’s method to track micrometric internal waves, and by pulling a model boat at constant force through a stratified aquarium, two wave systems were identified. The first is an internal wake, stationary in the ship's frame of reference. Named Nansen wake, it is responsible for a continuous slowing down of the boat. The second is a dispersive undulating depression, called Ekman wave, generated by the initial ship’s acceleration. Long mistaken for a periodic emission of internal solitons, the Ekman wave can be approximated as a linear wave acting on the boat like a bumpy treadmill. Then, the ship sustains a fluctuating wave drag, justifying the formation of speed oscillations.A linear analytical model was developed, leading to numerical stratification experiments. It appears that the dead-water’s oscillation phenomenon is only a transient period of the ship's dynamics: with time, the Ekman wave eventually escapes at the bow or is released at the stern. Moreover, the lateral confinements imposed by laboratory experiments accentuate these phenomena. Finally, measurements of velocity fields in a stratified environment reveal that the Nansen wake creates currents which modify the appearance of the surface and cause the appearance of smooth or rough bands in the surface wake.The particularities of the Ambracian Gulf make the Battle of Actium a curiosity in terms of the Physics of waves-currents-boats interactions. Bathymetry and stratification both play a role in the ships’ dynamics, which can prevent them from reaching the desired speeds, and cause bands or transverse waves in the stern wake, reminiscent of the remora’s sucking disk. Is it perhaps the origin the echeneis’ legend?
La bataille navale d’Actium, qui s’est déroulée à l’embouchure du golfe Ambracique, fut un tournant de l’Antiquité en opposant trois personnages historiques (Octave contre Cléopâtre et Marc-Antoine). Ce combat a connu une issue inattendue, la flotte d’Octave s’imposant sur celle d’Antoine, pourtant composée d’embarcations plus imposantes. Pour élucider ce mystère les commentateurs de l’époque ont évoqué l’echeneis ou rémora, un poisson qui aurait eu le pouvoir de ralentir à lui seul une galère.A l’aune de mesures océanographiques modernes, et sur la base d’une approche pluridisciplinaire, ce travail de thèse cherche à expliquer les évènements qui sont survenus le 2 septembre 31 av. J.C.. Les eaux d’Actium présentent deux singularités : des hauts fonds et une stratification en densité faisant du golfe l’unique fjord de Méditerranée. Chacun de ces aspects a été exploré à travers des expériences en laboratoire, étayées de calculs analytiques.Dans un bassin des carènes, une reproduction de la galère antique Olympias est tractée à vitesse constante. L’analyse de la surface libre montre que le sillage du navire présente un motif particulier accompagnant la crise de résistance à l’avancement due aux effets de profondeur d’eau finie. Pour des vitesses proches de celles nécessaires à la technique martiale de l’éperonnage, les ondes divergentes du sillage se déplient, formant alors des bandes parallèles. Le pic de résistance et l’amplitude des ondes sont d’autant plus marqués que le rapport entre tirant d’eau et profondeur est grand, favorisant de ce fait les galères légères.La présence d’un bi-couche avec une marche en densité au niveau de la pycnocline, caractéristique particulière de l’embouchure, est connue pour être responsable d’un autre phénomène de ralentissement des navires appelé effet d’eaux-mortes. D’après la littérature antérieure, le mouvement d’un bateau au sein d’une stratification entraîne la génération d’ondes internes causant là encore une résistance à l’avancement, ainsi que des oscillations en vitesse. A partir du développement d’une technique de détection subpixel permettant de suivre des ondes internes micrométriques, et en tractant à force constante une maquette de bateau dans un aquarium stratifié, deux systèmes d’ondes ont pu être identifiés. Le premier est un sillage interne, stationnaire dans le référentiel du bateau : nommé sillage de Nansen, il est responsable d’un ralentissement continu du navire. Le second est une dépression ondulante dispersive, appelée onde d’Ekman, générée par l’accélération initiale du bateau. Longtemps confondue avec une émission périodique de solitons internes, l’onde d’Ekman peut être approximée par une onde linéaire agissant sur le bateau comme un tapis roulant bosselé. Le navire ressent alors une résistance de vague fluctuante, justifiant l’apparition d’oscillations en vitesse.Un modèle analytique linéaire a été développé et mène à des expériences numériques de stratification. Il apparaît que le caractère oscillant des eaux-mortes n’est qu’une période transitoire de la dynamique du bateau : l’onde d’Ekman finit par s’échapper à la proue ou par être abandonnée à la poupe. De plus, les confinements latéraux imposés par les expériences de laboratoire accentuent ces phénomènes. Enfin, des mesures de champs de vitesses en milieu stratifié révèlent que le sillage de Nansen crée des courants modifiant l’aspect des ondes surfaciques et provoquant l’apparition de bandes lisses ou rugueuses dans le sillage de surface.Les particularités du golfe Ambracique font de la bataille d’Actium une curiosité sur le plan de la physique des interactions ondes-courants-bateaux. Bathymétrie et stratification jouent toutes deux un rôle sur la dynamique des bateaux, pouvant les empêcher d’atteindre les vitesses recherchées, et faisant apparaître dans la forme du sillage des bandes ou ondes transverses rappelant le disque de succion du rémora. Peut-être l’origine de la légende de l’echeneis ?
Origine : Version validée par le jury (STAR)