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L’impact des billes et des gouttes : même combat
publié le , mis à jour le
un article grand public de Christian Ligoure a été récemment publié sur le journal en ligne The Conversation
Impact of Beads and Drops on a Repellent Solid Surface : A Unified Description
Author(s) : Arora S., Fromental J.-M., Mora S., Phou T., Ramos L., Ligoure C.
(Article) Published : Physical Review Letters, vol. 120 p.148003 (2018)
L’impact d’un objet sur une surface solide est une expérience de la vie courante fascinante qui, grâce au développement de l’imagerie rapide, suscite un vif intérêt, toujours renouvelé des scientifiques.
Jusqu’alors, l’impact d’une goutte liquide ou d’une bille solide ne semblaient pas avoir grand chose en commun. En utilisant un dispositif original qui réduit drastiquement les phénomènes de dissipation lors de l’impact, couplé à une visualisation par caméra rapide, une équipe montpelliéraine a caractérisé la dynamique d’expansion d’une nappe résultant de l’impact de différents types d’objet millimétriques (petites billes de solides ultra-mous, gouttelettes de liquides simples ou viscoélastiques). Elle a montré que, quelle que soit la nature de l’objet (solide ultra mou, liquide simple ou fluide viscoélastique), la physique de l’impact obéit à un comportement unifié très simple contrôlé par une nouvelle vitesse caractéristique propre à chaque matériau, qui capture son élasticité capillaire et son élasticité volumique.
En recouvrant la surface solide d’une très fine couche d’azote liquide, qui se vaporise au contact de l’objet à l’impact (effet anti-Leidenfrost), les dissipations frictionnelles fortement dépendantes du couple matériau/surface d’impact peuvent être éliminées. On peut ainsi filmer l’expansion puis la rétraction de l’objet déformé dans des conditions idéales de très faible dissipation. La dynamique correspondante est analogue à celle d’un simple oscillateur harmonique et peut être décrite par des lois d’échelles simples en fonction de la vitesse d’impact, où le facteur de normalisation est une nouvelle vitesse caractéristique associée à chaque matériau pour les déformations élastiques généralisées ; c’est une combinaison de la vitesse des ondes sonores transversales et de la vitesse de Rayleigh, associée à la vibration d’une goutte liquide. Les situations d’impact d’une goutte de liquide simple ou d’une bille élastique « dure »apparaissent naturellement comme les limites asymptotiques de ce comportement unifié. Cette expérience est aussi le premier exemple de mise en évidence expérimentale d’effets élasto-capillaires dynamiques non localisés .
A Gauche dispositif expérimental ; droite) Clichés d’un liquide simple, d’un fluide viscoélastique et de deux solides mous après impact, au maximum de leur déformation -(i) mélange eau/avec une tension de surface 50mN/m vitesse d’impact v0 = 4:35 m/s ; (ii) fluide viscoélastique module de cisaillement au plateau G0 = 10 Pa, = 50 mN/m, v0 = 3:8 m/s ; (iii) et(iv)) billes élastiques avec G0 = 35 Pa et 334 Pa respectivement et v0 = 4:35 m/s. Barre blanche : 6mm
Contact : Christian LIGOURE
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