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Comment la ligne de contact amortit les oscillations de liquides

publié le , mis à jour le

Le contrôle des oscillations de liquides dans un réservoir, appelées ballottement, est important aussi bien dans les applications industrielles (stabilité des navires ou des satellites) que dans la vie quotidienne. Pourtant, l’influence sur le ballottement de la ligne triple entre le liquide, la paroi et l’air reste mal comprise à ce jour. Des chercheurs de deux équipes du LIPhy (MODI et DyFCoM), en collaboration avec le Laboratoire de Mécanique des Fluides et des Instabilités de l’EPFL dans le cadre d’un PICS du CNRS, viennent d’élucider le rôle de cette ligne triple.

Le risque plus grand de renverser son café que sa bière, bien connu au quotidien, illustre l’influence des interfaces sur l’amortissement du ballottement, la mousse contribuant fortement à dissiper le mouvement en raison de la friction des bulles sur la paroi du verre. Cependant, dans le cas pourtant simple d’une ligne triple entre le liquide, la paroi et l’air ambiant, l’influence de cette interface entre différentes phases sur la dissipation du mouvement reste mal comprise. Deux chercheurs du LIPhy, Benjamin Dollet et Elise Lorenceau, en collaboration avec François Gallaire, professeur à l’EPFL, ont élucidé le rôle de la ligne triple dans la configuration la plus élémentaire d’oscillations de liquides : le va-et-vient d’un liquide dans un tube en U. Ils ont mis en évidence que la dissipation augmente fortement en régime dit de mouillage partiel, quand la ligne triple glisse sur une paroi sèche avec un angle de contact fini. De plus, ils ont montré que la dissipation associée au glissement d’une ligne triple montre des caractéristiques non linéaires originales, avec notamment un arrêt en temps fini des oscillations, à rebours de la vision classique d’un oscillateur harmonique exponentiellement amorti par friction visqueuse. Ils ont prouvé que cette dissipation supplémentaire provient de l’hystérésis d’angle de contact, c’est-à-dire de la valeur inférieure prise par ce dernier quand la ligne de contact avance par rapport au cas où elle recule. Cette hystérésis, responsable par exemple de l’accrochage des gouttes de pluie sur une vitre, agit comme une friction solide effective qui se rajoute aux effets visqueux au sein de la colonne de liquide.
Cette étude pourrait à terme aider à la conception de dispositifs amortissant le ballottement de façon optimale, et illustre le potentiel d’études interdisciplinaires à l’interface entre la mécanique des fluides macroscopique et la physique des interfaces.

DOI : 10.1103/PhysRevLett.124.104502
Notice biblio : Benjamin Dollet, Elise Lorenceau, François Gallaire, Transition from exponentially damped to finite-time arrest liquid oscillations induced by contact angle hysteresis, Physical Review Letters 124, 104502 (2020).

Evolution temporelle des oscillations d'une colonne d'eau dans un tube en U
Evolution temporelle des oscillations d’une colonne d’eau dans un tube en U
(i) dans un cas de mouillage partiel, où la ligne triple glisse sur une paroi sèche (courbe pleine en bleu), voir le schéma dans le graphique où l’angle de contact θ à la ligne triple est représenté, et (ii) dans un cas de mouillage total, où l’interface glisse sur un film liquide prédéposé sur la paroi (courbe en pointillés rouge). La grande différence entre les deux cas illustre l’importance des conditions de mouillage sur l’amortissement des mouvements du liquide.