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Tuteur : Laurent LE GUILLOU : llg@lpnhe.in2p3.fr
La coalescence est le phénomène par lequel deux substances miscibles et, le plus souvent, identiques cherchent à se réunir. Ce phénomène est d’autant plus perceptible dans les liquides qui, par ce mécanisme, tendent à minimiser leurs surface et ainsi maximiser leurs tension superficielle $({N.m}^{-1})$. En effet, à la surface d’un milieu, l’énergie est localement légèrement plus élevée qu'au sein même du milieu, on y associe ainsi une certaine énergie surfacique ($J.m^{-2}$ = $N.m^{-1}$). Lorsque deux surfaces d'un même liquide sont proches, des forces de Van der Waals tendent à les mettre en contact, induisant ainsi la coalescence afin de retourner dans un état d'énergie minimale. Dans le cadre de notre projet, nous cherchons à mettre en évidence la non coalescence de gouttes à la surface d'une huile silicone.
Nouvelle huile Afin d'obtenir des gouttes mobiles, nous avons réglé le générateur sur une fréquence de $50$ $Hz$ avec une amplitude maximale. Le nombre de gouttes créées pour cette situation était très grand afin d'observer les différents phénomènes possibles. Certaines des gouttes sont ainsi brièvement en orbites, tandis que d'autres interagissent avec les bords du bain et que d'autres gouttes rentrent en collision l'une contre l'autre.
—- === Instabilité de Faraday === —- Dans le cadre de nos expériences, nous nous plaçons juste en dessous du seuil de l'instabilité de Faraday. Cette limite est le point à partir duquel le liquide mis en vibration créé spontanément des « vagues », il s'agit de la formations d'ondes stationnaires. Dans ce régime très proche de l'instabilité de Faraday, des « marcheurs » peuvent se former. En effet, les gouttes, en plus de rebondir sur la surface liquide vont également se déplacer sur le liquide. En théorie, lorsque l'on atteint l'instabilité de Faraday, les gouttes ne peuvent pas être formées. Néanmoins, avec le matériel dont nous disposons avec entre autres le fait que le pot ne soit pas totalement homogène, les instabilités ne sont pas totalement uniformes et des gouttes peuvent quand même être formées.
Ces ondes ont été capturées pour une fréquence de $30$ $Hz$. Il est intéressant de noter que les formes de ce maillage d'ondes sont imposées par les fréquences de vibration du pot vibrant, en d'autres mots la longueur d'ondes liée à l'instabilité de Faraday dépend de la fréquence d'oscillation du pot. On arrive ainsi à mesurer la longueur d'onde à l'instabilité de Faraday pour une fréquence de $30$ $Hz$ pour notre montage. Sur la photo ci-dessus, nous observons bien que même si l'onde formée n'est pas homogènement répartie, la longueur d'onde elle reste constante. —- ===== Observation et Analyse ===== —- === Simple rebond === —- Après avoir réglé la fréquence sur $50$ $Hz$ à une amplitude de $1,8$ $g$, on crée une goutte d'huile, et on filme le rebond de la goutte à l'aide d'un appareil photo numérique. Puis, nous avons pointé cette vidéo sur Kinovéa pour suivre la trajectoire du centre de la goutte, de taille comprise entre $1,0$ $mm$ et $1,2$ $mm$, effectuant plusieurs rebond en fonction du temps. Nous posons l'hypothèse que pour cette fréquence et cette amplitude, la goutte effectue des rebonds simples, c'est à dire que chaque rebond effectué est de même hauteur. Nous avons reporté les données sur un tableur excel.
Finalement, nous obtenons la trajectoire verticale de la goutte sur l'axe z, en fonction du temps. Nous observons sur ce graphique, un rebond qui suit un régime sinusoïdale avec un maximum et un minimum d'amplitude similaires à chaque saut, donc nous sommes bien dans le cas du rebond simple. —- === Double rebond === —- Ensuite, Nous cherchons à réaliser le régime de double rebond, nous nous plaçons à $50$ $Hz$, avec des gouttes de tailles comprises entre $0,8$ $mm$ et $1$ $mm$ et avec une amplitude de $2,4$ $g$. Comme précédemment, nous capturons capture une vidéo que nous traitons à l'aide de Kinovéa.
Nous reproduisons une nouvelle fois le graphique de la position de la goutte selon l'axe z en fonction du temps. Sur ce graphique, Nous observons maintenant deux maximums différents qui correspondent au deux différentes hauteurs paliers atteintes par la goutte. Nous sommes bien dans le régime de double rebond. —- === Les Marcheurs === —- Pour réaliser des gouttes « marcheuses », nous créons une goutte en se plaçant tout juste sous le niveau de l'instabilité de Faraday, à une fréquence de $50$ $Hz$. Nous observons que la goutte suit une trajectoire le long de la surface de l'huile en plus de rebondir. Nous remarquons également que la goutte évite les bords du dispositif. L'onde générée par la goutte « touche le bord » avant la goutte elle-même. Nous capturons la vidéo correspondante à l'aide de la caméra ultra rapide.
Nous essayons de renseigner la trajectoire suivie par la goutte à l'aide de Kinovéa —- === Diagramme d'existence === —- Ayant observé les différents régimes en présence d'une seule goutte, on se propose alors de réaliser un diagramme d'existence de ces différents régimes en fonction de nos observations précédentes. Le diagramme proposé est réalisé à une fréquence fixe de $50$ $Hz$, les valeurs de ce diagrammes varient en fonction de la fréquence d'oscillation imposée au pot vibrant mais sa forme est globalement la même pour différentes fréquences d'oscillation. On forme alors des gouttes dont on relève le diamètre et on relève la valeur de l'accélération à laquelle ces gouttes adoptent les régimes de simple rebond, double rebond et marcheur on en tire le diagramme suivant dans un premier temps : Pour déterminer le diamètre des gouttes, nous avons pris des captures d'écran de nos vidéos et avons utilisé comme référence le rebord de notre cuve dont la longueur est connue ($4$ $mm$). Ces images ont été traitées avec le logiciel kinovéa afin de remonter au diamètre des gouttes et nous relevions la valeur d'amplitude sur l'oscilloscope. Les points bleus correspondent à la limite à partir de laquelle la goutte va commencer à rebondir indéfiniment et ne pas coalescer avec la surface du liquide, et cela de manière statique. Les points oranges correspondent à la limite à partir de laquelle on observe un doublement de la période de rebondissement de la goutte amenant au régime des doubles rebonds. Enfin les points gris correspondent à l'apparition des “marcheurs”/“walkers”. Dans ce régime, les gouttes se déplacent spontanément sur la surface du liquide. L'incertitude sur le diamètre des gouttes est malheureusement très importante en raison de la difficulté à pointer la taille de la goutte. En effet les gouttes enregistrées avec la camera ultra rapide n'ont une taille que de quelques pixels, l'incertitude qui en découle est ainsi très grande, elle est de l'ordre de $±0.25$ $mm$. Pour ce qui est de l'incertitude sur l'accélération, elle est due à la position des curseurs sur l'oscilloscope, on évalue cette incertitude à $±0.05$ $g$. En se passant des barres d’erreurs et en faisant passer des courbes par nos points, on arrive au diagramme d’existence final suivant : Tout à droite du diagramme, on a la limite à partir de laquelle la surface du liquide entre dans l'instabilité de Faraday. —- === Orbites === —- Pour une fréquence de $50$ $Hz$ et une amplitude maximale avant l'instabilité de Faraday, nous avons ici créés seulement deux gouttes silicones. Au bout d'un certain temps, les deux gouttes sont attirées une vers l'autre à cause des ondes qu'elles créent à la surface . Elles finissent par se mettre en orbite sans jamais se percuter.
Nous avons pointé, à l'aide du logiciel Kinovéa, les trajectoires du centre de chacune des gouttes en orbites en fonction du temps. Voici ci-dessus, les trajectoires horizontales des deux gouttes en orbite en fonction du temps. Nous mesurons aussi la longueur d'onde de l'onde crée par la goutte. —- === Walkers répulsifs === —- Pour des gouttes d'un certain diamètre à une accélération donnée, on observe que ces gouttes, en plus de “marcher”, se repoussent également entre elles évitant ainsi leur collision ou leur mise en orbite. Nous avons suivi le déplacement de deux d'entre elles interagissant avec kinovéa pour suivre leur trajectoire au cours du temps et pour caractériser leur caractères répulsifs —- === Réseau Cristallin === —- Lors de l'expérimentation, en présence d'un assez grand nombre de gouttes, un phénomène particulier a fait son apparition. En effet, les gouttes se sont rangées en un ensemble compact avec les gouttes disposées à équidistance l'une de l'autre. Ce réseau cristallin se réarrange dès lors qu'une goutte passe à proximité.
On a ensuite procéder à la réalisation de différents réseaux cristallins, c'est a dire que nous avons fait varier le nombre de gouttes dans la maille et avons observé comment ces réseaux évoluaient lorsqu'on faisait varier la valeur de l'accélération.
des Fluides - Suzie Protiere. Université Paris-Diderot - Paris VII. Français. (2007)
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