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Projet: La goutte rebondissante
Membres
SACCOMANI Quentin
CORNEJO Bernardo
KOKKINOS Loukas
ZEMIRLI Akli
MONTAGNANI Silvia (Nous n'avons pas réussi à rentrer en contact avec elle, malgré des messages depuis Moodle)
Encadrant: Théo Emmerich (theo.emmerich@phys.ens.fr)
Projet
Introduction:
Pourquoi est-ce que une goutte d’eau qui tombe sur un bain « fusionne » avec celui-ci, pourquoi elle ne reste pas sur sa surface ? Aujourd’hui on va s’intéresser à cette question, mais aussi (et surtout) à comment ce phénomène peut s’éviter pour créer une goutte qui reste à la surface d’un liquide comme si d’un solide s’agissait ! Pour ceci, on va présenter le modèle de la goutte en chute perpétuelle sur une surface de liquide oscillant, ou plus simplement la « goutte rebondissant ». L’étude de ce modèle peut s’avérer simple mais il entraine des résultats tout à fait surprenants tels que la formation de structures similaires aux structures cristallines ou la création de gouttes qui se déplacent sur la surface, qu’on appellera « marcheurs ».
Prenant en compte la limite du temps consacré à ce projet, nous serons pas capables de couvrir tous les intéressants phénomènes qui découlent de cette simple expérience. Dans un premier temps on va se concentrer sur quelles variables jouent un rôle important sur la durée de vie des gouttes rebondissantes pour ensuite étudier les différents « modes » de rebondissements qui vont nous permettre de construire un diagramme de phase.
Théorie:
Liens utilisés:
https://jeunes.sfpnet.fr/2018/01/23/memoire-ondulatoire/
https://www.youtube.com/watch?v=a0gf5A_21oQ
https://www.techno-science.net/actualite/gouttes-marchent-eau-N1759.html
https://blog.espci.fr/marcfermigier/files/2018/03/Gouttes-rebondissantes.pdf
https://docplayer.fr/56998566-Gouttes-rebondissantes-sur-une-surface-vibree-verticalement.html
https://www.canal-u.tv/video/universite_lyon_1icap/rebonds_d_une_goutte.14022
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00192620/document
Expériences à faire:
- Durée de vie des gouttes rebondissantes en fonction des paramètres de controle
- Observation des marcheurs
- Détérmination des différents modes de rebondissement pour contruire un diagramme de phase
- Étudier les intéractions entre les gouttes rebondissantes et entre les marcheurs (si suffisamment de temps)
Objectifs:
- Comprendre la coalescence d'un liquide et comment l'éviter.
- Distinguer les différentes variables du problème pour déterminer les paramètres nécessaires à la formation de gouttes rebondissantes et comment la variation de ces paramètres les affecte (notamment sa durée de “vie”).
- Comprendre et former des “marcheurs”, gouttes qui avancent sur la surface du liquide. On cherchera à montrer comment ce phénomène peut modéliser macroscopiquement la dualité onde-particule.
- Observer l’interaction entre plusieurs gouttes et marcheurs, notamment les phénomènes de “collision” ou de formation de structures cristallines.
- Construire un diagramme de phase à partir de nos données expérimentales.
Dispositif experimental:
Organisation:
Diagramme de Gantt
Journal de Bord:
10/02/2021 : Après une formation tardive de l'équipe, nous nous sommes mis finalement à discuter sur le sujet à traiter. Nous avons fait un “brainstorming” et nous avons informé notre encadrant sur les sujets qui en ressortaient:
- Etude des plasmas
- Goutte rebondissante
- Etude d'un régime laminaire
- Lévitation par supraconductivité
En tenant compte de la réponse reçue, nous avons décider de partir sur l'idée de la goutte rebondissante qui semblait la plus réalisable. Finalement nous nous sommes donnés rendez-vous pour la semaine prochaine afin de discuter l'organisation et commencer à nous informer sur le sujet.
17/02/2021 : Suite au choix du sujet, nous avons réalisé notre première réunion en présentiel. Pour commencer nous avons décidé de faire une recherche bibliographique afin de bien comprendre les phénomènes impliqués.
Après avoir lu quelques articles et suivi plusieurs vidéos présentant l’expérience nous avons déterminé les différentes étapes à suivre pour la mettre en place. D'abord on doit bien sur choisir un liquide; dans ce cas l'huile de tournesol ou de silicone convient. Ensuite, pour éviter que la goutte arrive à la coalescence avec le reste du liquide (soit une fusion avec celui-ci) on a besoin d'un bassin oscillant avec une fréquence réglable et une alimentation. Finalement on a besoin d'une caméra capable de bien enregistrer le mouvement de notre goutte (si possible avec une grande cadence d'image) et la traiter grâce à des logiciels.
Même si la mise en place du dispositif expérimental a l'air simple, on souhaite aussi comprendre la théorie derrière. Ainsi, on doit approfondir sur les notions de viscosité, tension de surface ou force d'oscillation. On doit notamment aussi pouvoir déterminer le seuil critique de Faraday, fréquence pour laquelle des ondes de surface sont formées et à partir duquel les gouttes commencent à bouger suivant une trajectoire rectiligne aléatoire.
Finalement, tous les membres du groupe vont continuer à s'informer pendant cette semaine et pendant la semaine de vacances pour pouvoir mettre en place le dispositif la semaine de la rentrée.
Liens utilisés: https://jeunes.sfpnet.fr/2018/01/23/memoire-ondulatoire/ https://www.youtube.com/watch?v=a0gf5A_21oQ https://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/87/56002/pdf https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00192620/document (entre autres)
03/03/2021 : Après avoir fait des recherches personnelles pendant les vacances, on comprend que le sujet reste très large et les études possibles sont très nombreux. Ainsi, on doit réduire les expériences à faire pour arriver à terminer le projet. La partie théorique de notre projet, pour laquelle on s'est bien documenté pendant ces dernières semaines, est déjà plutôt complète et on connait les protocoles qu'on doit suivre pour monter les expériences.
10/03/2021 : Pas de séance.
17/03/2021 : Pas de séance.
24/03/2021 : On commence les activités expérimentales. En effet, on va vers le technicien pour chercher les matériaux nécessaires; à savoir un pot vibrant avec un support et une cuve, un générateur basse fréquence nous permettant de contrôler la fréquence d'excitation, un amplificateur nous permettant de contrôler l'amplitude, un accéléromètre, un oscilloscope et un liquide visqueux (idéalement de l'huile de silicone).
On a réussi à obtenir que le GBF et le pot vibrant avec son support et la cuve.
Comme liquide on va utiliser l'huile de vaseline, similaire à l'huile de silicone. Notre première tache est de déterminer les caractéristiques du liquide utilisé. Dans un premier temps on voulait les déterminer expérimentalement mais suite à la difficulté d'utilisation du matériel on a décidé de chercher ces informations sur internet. (sources). Finalement on aura:
- Masse volumique = 842 - 855 kg/m3 - Viscosité dynamique = 12.10^(-3) - 15.10^(-3) Pa/s - Viscosité cinématique = 14.5 - 17.5 mm2/s - Tension de surface = 3,1.10^(-2) N/m
Tout d'abord et vu qu'on a pas un amplificateur qui nous permette de régler l'amplitude, on essaye de l'estimer grâce à une camera et une échelle. On trouve a ~ 1 mm. En ayant ces informations, on cherche maintenant à établir les seuils critiques pour lesquels on peut créer ces “gouttes rebondissantes”, soit les accélérations de forçage maximales et minimales à fournir (on rappelle que l'accélération de forçage s'écrit gamma = a*w^2). L'accélération de forçage maximale correspond au seuil d'instabilité de Faraday. On essaye de déterminer ce seuil expérimentalement car ce phénomène est assez visuel (on peut repérer le régime de transition). Ainsi, on détermine une fréquence de Faraday f = 22 Hz. Soit une accélération de forçage de 2g.
Regime de Faraday:
D'autre part, pour chercher le seuil inférieur (soit l'accélération minimale à fournir au système), on doit former les gouttes et observer si elles restent au moins quelques instants à la surface. Ainsi, on constate que le seuil minimal (soit la fréquence pour laquelle les gouttes coalescent presque instantanément) est atteint pour f = 9 Hz(ceci dépend des paramètres, notamment de l'amplitude su signal fourni), soit une accélération de forçage de plus ou moins g.
De cette façon, on a été capables de former nos premières gouttes rebondissantes!
Celles-ci restent d'un rayon plus ou moins aléatoire car on les a formé avec une pipette pasteur simple et les paramètres de expérience restent très peu précis. Ainsi, il s'agit d'une bonne première approche du système mais on aura beaucoup de paramètres à améliorer pour pouvoir réaliser les expériences qu'on souhaite faire. Durant ces premières tentatives nous avons pu créer des gouttes qui peuvent rebondir pour une durée maximale d'environ 30s.
29/03/2021 : Réunion avec Théo Emmerich. On a discuté un peu sur les problèmes rencontrés lors de la dernière séance, notamment la durée de vie des gouttes. Monsieur Emmerich nous a expliqué qu'on aurait besoin d'un montage expérimental plus complet (avec un amplificateur et un accéléromètre comme montré dans la partie théorie) pour faire fonctionner l’expérience car la précision de celui-ci a une grande influence dans le résultat final. D'autre part, on est arrivé à la conclusion que la taille des gouttes sera un paramètre compliqué à contrôler avec précision; on prendra donc des différentes tailles de gouttes formées avec des techniques variées (pipette, micro-pipette, aiguille, trombonne) sans s'intéresser à déterminer précisément leurs rayons (on fera une estimation). On a parlé aussi sur nos objectifs et les expériences qu'on souhaite faire. Il nous a recommandé d'avoir la construction du diagramme de phase comme objectif final, tout en étudiant la durée de vie des gouttes si on ne réussi pas à les faire durer longtemps.
31/03/2021 : Suite à la réunion avec monsieur Emmerich on améliore le montage en demandant tout le matériel nécessaire aux techniciens. Ainsi, on réussi à construire un set-up similaire à celui initialement souhaité avec quelques difficultés pour l'installation de l'accéléromètre.
Photo nouvel Set-Up
Avec celui-ci on réussi bien a former des gouttes rébondissantes qui tiennent plus longtemps et on observe même nos premiers marcheurs! Néanmoins, la durée de vie des gouttes reste réduite. On formule plusieurs hypothèses face à ce problème: (1) la vibration n'est peut-être pas homogène sur toute la surface du liquide à cause d'une possible inclinaison du support, (2) la profondeur de la coupelle n'est peut être pas la suffisante pour faire un étude précis, (3) la coupelle n'est pas complétement au centre du vibreur, ce qui peut avoir un effet au niveau de la vibration de la surface.
Vue le temps réduit que reste disponible (en plus cette séance sera plus courte car on a un TP l'après-midi) on essayera pas d'allonger infiniment le temps de vie des gouttes. Ainsi, la prochaine séance on aura comme objectif avoir les résultats pour l'étude de la durée de vie des gouttes en fonction de la fréquence et de l'amplitude et pour le diagramme de phase.
14/04/2021 : Durant cette séance nous avons avancé réalisé une étude sur la durée de vie des gouttes en faisant varier les paramètres : fréquence et tension du signal fourni au support. Le protocole correspondant a cette étude est assez simple, il consiste à:
- fixer une valeur pour la tension
- déterminer la fréquence minimale pour laquelle on observe des gouttes rebondissantes, puis augmenter la valeur de la fréquence par pas de 1 Hz jusqu'à ce que les gouttes ne puissent plus rebondir
- faire plusieurs mesures de la durée de vie d'une goutte pour chacune des fréquences, puis faire la moyenne sur les mesures
Nous avons donc ensuite tracer la durée de vie par rapport à la fréquence pour les valeurs de la tension U=2V et U=2,76V.
22/04/2021 : La première moitié de cette séance a été consacrée à terminer notre étude sur la durée de vie des gouttes. Nous avons répéter le protocole expérimental pour une tension U=1,5V. Avec cela nous avons donc pu compléter notre graphe sur la durée de vie en rajoutant les points correspondant à la tension de 1,5V, et on obtient:
Durée de vie d'une goutte en fonction de la fréquence pour des tensions données
De cette étude on a conclu que notre système est plus stable pour la tension de 1,5V, puisque les gouttes survivent pour plus longtemps. (compléter)
Dans le temps restant de la séance nous avons donc commencer la réalisation de l’étude principale de notre projet, le “Diagramme de phases des gouttes”. Pour cette étude nous nous sommes placés à la tension de 1,5V puisque comme évoqué auparavant, c'est la pour laquelle les gouttes survivent plus longtemps, ce qui simplifie les observations.
28/04/2021 : Lors de cette dernière séance nous avons réalisé la majorité des mesures pour le diagramme de phases. Vous trouverez le protocole, ainsi que les résultats, dans le lien suivant: Diagramme de phases.
03/05/2021 : Dernières modifications à l'article court. On envoie notre travail final au prof référent ainsi qu'à l'encadrant de l'UE
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