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Posté par Redbran le Vendredi 23/02/2018 à 12:00
La super-propulsion de gouttes et d'objets élastiques
Lors de l'éjection par un engin de type catapulte, les gouttes et les solides élastiques peuvent être des projectiles plus efficaces que les objets rigides. La compréhension de ce phénomène devrait permettre d'optimiser les transferts d'énergie pour les technologies balistiques.


Propulsion de trois gouttes de tailles différentes. L'image de gauche correspond à la configuration initiale et celle de droite montre la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) maximale atteinte. La ligne en pointillé précise la hauteur qui serait atteinte par un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) rigide.
© INPHYNI (CNRS/Univ. Côte d'Azur)

Les gouttes sont des objets très spécifiques du fait de leurs propriétés interfaciales. Bien que constituées de liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), elles gardent leur forme au repos du fait de la tension (La tension est une force d'extension.) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...). Les gouttes sont en général difficiles à manipuler et adhèrent plus ou moins à leur substrat en fonction de la mouillabilité de ce dernier. En collaboration avec des chimistes du NICE Lab (Univ. Côte d'Azur), des physiciens de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) de Nice (INPHYNI, CNRS/Univ. Côte d'Azur) ont proposé une manière originale de trier et de déplacer les gouttes en les propulsant avec une catapulte.

Pour cela, ils ont utilisé une catapulte "à ressort" équipée d'un plateau constitué d'une surface super-hydrophobe pour supprimer l'adhésion (En physique, l'adhésion est l'ensemble des phénomènes physico-chimiques qui se produisent lorsque l’on met en contact intime deux matériaux, dans le but de créer une résistance mécanique...). Les résultats montrent que les gouttes ne décollent pas toutes avec la même vitesse (On distingue :) et, de façon surprenante, certaines sont éjectées avec 2,5 fois plus d'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au travail...) qu'un projectile rigide propulsé dans les mêmes conditions. En obtenant les mêmes résultats avec d'autres types de projectiles déformables, des billes d'hydrogel pour exemple de solides mous, les physiciens ont montré la généralité de ce phénomène.

Cette super-propulsion est liée à un phénomène semblable à une résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence propre du système. Si le système n'est pas...) entre les ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) de déformation du projectile (liées à la tension de surface pour les gouttes ou à l'élasticité pour les solides mous) et à l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une...) de la catapulte. Mais à la différence d'une résonance classique, où les deux systèmes restent liés (par exemple un individu (Le Wiktionnaire est un projet de dictionnaire libre et gratuit similaire à Wikipédia (tous deux sont soutenus par la fondation Wikimedia).) sur une balançoire), et où il faut plusieurs oscillations pour parvenir à cette résonance, elle est ici atteinte en une seule fois. Lorsque le rapport entre les fréquences de vibration de la goutte et de la catapulte est optimum, la goutte est en effet propulsée avec un maximum d'énergie sitôt qu'elle quitte le support. Les physiciens ont mesuré un rapport de 3,4 entre les fréquences, valeur différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide...) des autres phénomènes de résonance.

Parmi les applications, il est désormais possible de trier en taille des gouttes ou des solides en fonctions de leurs propriétés élastiques. La compréhension de ce phénomène devrait permettre d'optimiser les transferts d'énergie pour les technologies balistiques (lancers, tirs, etc.).

Référence publication:
Superpropulsion of Droplets and Soft Elastic Solids
Christophe Raufaste, Gabriela Ramos Chagas, Thierry Darmanin, Cyrille Claudet, Frédéric Guittard et Franck Celestini
Physical Review Letters (2017), doi:10.1103/PhysRevLett.119.108001
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Contact chercheur:
Franck Celestini, Maître de conférences à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) Côte d'Azur

Informations complémentaires:
Institut de physique de Nice (INPHYNI, CNRS/Univ. Côte d'Azur)

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Source: CNRS INP