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Dynamiques inertielles dans les mousses liquides : expériences de drainage et de vibration à l’échelle d’un bord de Plateau

Thèse Alexandre Cohen

Mardi 22 septembre 2015

à 13h30 en salle C. Brot

La réponse mécanique des mousses liquides est liée à l’organisation du liquide en un réseau interconnecté de microcanaux appelés « bords de Plateau ». Jusqu’à présent les écoulements et autres comportements dynamiques de ces canaux étaient modélisés, du fait de leurs tailles micrométriques, en prenant en compte les effets de la tension de surface et de la dissipation visqueuse. Au travers d’études d’écoulements transitoires et de vibrations, on montre que les bords de Plateau peuvent être le lieu de phénomènes dynamiques inertiels induits par leur caractère déformable. Ces études sont réalisées sur un bord de Plateau unique de longueur centimétrique et de géométrie contrôlée. Comme au sein d’une mousse, le bord de Plateau est formé à la jonction de trois films de savon.

Un écoulement transitoire apparaît dans le bord de Plateau lors de la création d’une inhomogénéité de liquide. Dans certaines conditions, cet écoulement adopte la géométrie d’un ressaut hydraulique inertiel d’origine capillaire qui se déplace dans le bord de Plateau avec une vitesse constante et élevée (de l’ordre de 0,3m/s). Cet effet est dominé par les forces de tension exercées par les films sur le bord de Plateau et revient à considérer une tension de surface effective négative pour le bord de Plateau.

Soumis à une sollicitation harmonique transverse, à faible amplitude le bord de Plateau oscille et une onde stationnaire s’établit, quelle que soit la fréquence de forçage. Les ondes sont non dispersives et une vitesse de propagation de l’ordre de 2m/s est mesurée. A forte amplitude, le liquide dans le bord de Plateau se réorganise en deux zones d’épaisseurs et d’amplitudes très contrastées. Les deux régimes mettent en évidence un fort couplage entre le bord de Plateau et les films. Le bord de Plateau est modélisé comme un oscillateur harmonique forcé par l’oscillation des films et dont la fréquence propre varie avec l’amplitude d’oscillation du bord de Plateau au travers de son épaisseur ; la relation entre l’épaisseur et l’amplitude d’oscillation du bord de Plateau résulte d’une compétition entre inertie et capillarité.

Ce travail montre le rôle des films de savon sur la déformation d’un bord de Plateau. Ceux-ci engendrent des forces capillaires provoquant des phénomènes dynamiques inertiels dans le bord de Plateau. La mise en évidence du couplage entre transport de matière et ondes dans le bord de Plateau révèle l’existence de fortes non-linéarités dans ce système.