tours granulaires - paris diderot university
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Tours Granulaires
Référence : •Building Designed Granular Towers One Drop at a Time J. Chopin & A. Kudroli, PRL 2011
Ou comment élever une tour à l’aide de suspension de granulaire en goutte à
goutte.
Aéroélasticité: reconfiguration de forme
Référence :•Drag reduction of flexible plates by reconfiguration Gosselin et al. JFM
Tore liquide
Comprendre les modes de déformation d’un tore liquide en lévitation sur
une plaque chauffante
Référence :•Leidenfrost levitated liquid tori Perrard et al. EPL 2012
Séchage de suspension colloïdale
Référence :•Experimental model of cracking induced by drying shrinkage Colina & Roux , EPJE, 2000
Lorsqu’un glacier fond, on observe des formes ordonnées sur la surface de son plafond. Ces formes apparaissent car la vitesse de fonte est hétérogène. Quel est le moteur de cette instabilité ? On pourra peut-être répondre à cette question en observant la dynamique du film d’eau créer par la fonte de la glace.
Cupules de fonte
référence : - Three-dimensional Rayleigh–Taylor instability under a unidirectional curved substrate, G Balestra, N Kofman, PT Brun, B Scheid,
F Gallaire, Journal of fluid mechanics 837, 19-47
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L’enchevêtrement des pages de deux livres résiste à des forces de traction phénoménales.
Instabilité de Saffman-Taylor Vers la formation de boucles ?
référence : Why can’t you separate interleaved books, K Dalnoki-Veress, T Salez, F Restagno, Physics Today 69 (6), 74
L'incroyable résistance des annuaires téléphoniques
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Lorsque le liquide qui s’écoule est visqueux, la dynamique de vidange est très différente de celle observée pour les fluides parfaits.
Instabilité de Saffman-Taylor Vers la formation de boucles ?
référence : The Marsh Cone as a viscometer: theoretical analysis and practical limits, R. Le Roy and N. Roussel, Materials and Structures / Matériaux et Constructions, Vol. 37, Month 2004
Vidange d’un entonnoir, le cône de Marsch
Lorsqu’on pousse un fluide visqueux (huile) avec un fluide qui l’est moins (air), on observe des digitations à l’interface entre les fluides. Une théorie récente prévoit que ces doigts poussent droits ou forment des boucles selon le rapport des viscosités.
Instabilité de Saffman-Taylor Vers la formation de boucles ?
référence : Effect of mobility ratio on interaction between the fingers in unstable growth processes, A Budek, K Kwiatkowski, P Szymczak, Physical Review E 96 (4), 042218
image: CK, Kiran Raj
Instabilité de Saffman-Taylor Vers la formation de boucles ?
L’expérience de Rutherford a permis de mettre en évidence la structure des noyaux, et les interaction à l’oeuvre.
De nos jours encore, la notion de section efficace de diffusion reste un outil privilégié pour la compréhension des phénomènes
physiques aux échelles subatomiques.
On propose de construire un montage mécanique, sur un coussin d’air, dans lequel l’interaction entre deux aimants soit l’analogue
de la diffusion de noyaux par un faisceau de particules incidentes. On dérivera, à partir des trajectoires observées, les potentiels
d’interaction entre les cibles et les projectiles utilisés.
Diffusion élastique par aimants
Référence : James A. Blackburn and H. J. T. Smith, American Journal of Physics 72, 237 (2004)
Sous certaines conditions, un petit changement agissant sur un système en équilibre stable, le fait basculer vers un système ayant
deux états d’équilibre. On parle alors de bifurcation supercritique.
On propose de construire un pendule inversé, qui est rendu stable par un asservissement magnéto-mécanique. On établira les
paramètres qui déterminent les différentes configurations de ce système.
Pendule inversé et
bifurcation supercritique
Référence : J. P. Sharpe and N. Sungar, American Journal of Physics 78, 520 (2010)
Un écoulement bidimensionnel peut donner lieu à des figures assez remarquables, tels que les vortex dipolaires. Leur étude est
importante pour la compréhension de phénomènes dans l’atmosphère et l’océan.
On propose de construire un montage permettant la production de vortex sous conditions contrôlées de jets de liquides colorés. On
étudiera leur évolution en temps, et la cinématique de collisions de vortex, à l’aide de techniques d’imagerie.
Collisions de vortex dipolaires
Références : E. Salinas-Rodríguez et al, Rev. Bras. Ensino Fís. 33, 3 (2011) Y. D. Afanasyev, Phys. Fluids 18, 037103 (2006)
Le 14 septembre 2015, un front d’ondes gravitationnelles, émis par la coalescence de deux trous noirs lointains, est arrivé sur terre.
Cinq mois plus tard, les collaborations LIGO et VIRGO ont convoqué une conférence de presse. Elles y ont annoncé que les
signaux observés ce jour par les détecteurs LIGO démontraient, pour la première fois, l’existence de ces ondes prédites par la
théorie de la relativité générale de Einstein.
Il s’agit, sans aucun doute, de l’une des découvertes scientifiques les plus marquantes des années récentes.
A l’aide d’un microphone en rotation et deux métronomes fixes, on mettra en place un système de détection acoustique. Ces
signaux seront analysés suivant une logique partiellement analogue à celle utilisée par LIGO et VIRGO pour établir les corrélations
entre signaux d’interférométrie sur des sites lointains.
La détection d’ondes gravitationnelles:
une analogie acoustique
Référence : Michael T. Lam et al, American Journal of Physics 86, 755 (2018)
La conductivité électrique du contact entre deux surface en métal est un problème de longue date: dans les situations
réelles il est très difficile de prédire le comportement d’un tel contact. En particulier, la résistance du contact est une fonction
de la force d’, mais aussi de la «condition» de la surface (oxydes, salissures, etc.). Donc, dans le pratique nous voulons
minimiser le nombre de contacts électriques.
Ici, nous proposons le contraire: comment se comporte un système qui contient un très grand nombre de contacts en série.
Pour une chaine métallique sous traction F, nous voulons obtenir la caractéristique V(I), en extraire la résistance, tout en
fonction de la force de traction F. Le phénomènes d’hystérésis et de vieillissement sont susceptibles d’intervenir.
Conductivité électrique d’une
chaîne
référence : - E. Falcon and B. Castaing, Electrical conductivity in granular media and Branly’s coherer: A simple
experiment. American Journal of Physics, 2005, 73, p.302. hal-00002394v2
V
H: rigidité [N/m3]F: force de contacth: coefficient…r: resistivité bulk
I(V)
Nous voulons comprendre les conformations que prenne une tige avec une courbure intrinsèque tenue par ses extrémités.
Perversion d'une tige
références : - Arnaud Lazarus, Jay T. Miller, Matthew M. Metlitz, Pedro M. Reis. Contorting a heavy and naturally curved
elastic rod. Soft Matter, 2013, 9 (34), hal-01447373
Invasion par les microalgues
références : - Goldstein. et al., Are theoretical results ‘Results’?, eLife.40018 (2018)
La mobilité des microalgues peut être influencée par la lumière (phototaxie). Ici, nous allons étudier la mobilité des
microalgues Chlamydomonas reinhardtii, algues unicellulaire qui nage « la brasse » en utilisant deux flagelles. Sous la
lumière, l’algue s’oriente de manière à nager dans la direction du gradient de l’intensité lumineuse. Ainsi, nous pouvons la
manipuler. Une fois groupées, comment ces algues occupent progressivement l’espace qu’on leur donne à disposition ?
Comment arrêter la fracture dans
un gel ?
références : - O. Ronsin et al., Environmental Nanoparticle-Induced Toughening and Pinning of a Growing Crack in a
Biopolymer Hydrogel, DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.158002
Un crack s’est produit dans un matériau et se propage. Nous voulons l’arrêter. On se propose de le faire sur un gel, où le
crack se propage lentement. En ajoutant une dispersion de nanoparticules sur le crack, il est possible de durcir localement
le matériau et ainsi modifier sa propagation.
Une fibre placée sur une plaque chauffante se met spontanément à tourner, transformant la chaleur en travail ! Comment varie la
vitesse de rotation avec le diamètre de la fibre ? Avec la température de la plaque ?
Fibres motrices
référence : A. Baumann et al., Nature Materials, 17, 523–527 (2018).
Sous l’effet d’une compression uniforme, les poutres d’une structure flambent, préférentiellement dans le mode de plus basse
énergie. Mais cela n’est pas toujours compatible avec la condition d’angles de raccordement fixes. Pourtant, des structures
régulières peuvent émerger...Quelles sont ses structures, et comment dépendent-elles de la densité de cellules triangulaires ?
Instabilité mécanique et frustrations
géométriques
référence : S. H. Kang et al., Physical Review Letters 112, 098701 (2014).
Flambage :
MÉTAMATÉRIAUX
Un radeau de grains génère de larges déformations de l’interface, créant ainsi une force attractive sur les autres radeaux de grains.
Peut-on estimer comment cette force varie en fonction de la « charge » (=nombre de grains) du radeau ?
Interaction capillaire entre radeaux
granulaires
référence : A. Lagarde, C. Josserand et S. Protiere, Soft Matter 15, 5695--5702 (2019).
Les dauphins comme les plongeurs savent qu’il est possible de faire des bulles toriques. Nous essayerons de reproduire ce
phénomène en laboratoire !
Génération de bulles toriques
référence : T. S. LUNDGREN et N. N. MANSOUR, Journal of Fluid Mechanics 224, 177-196 (1991).
En utilisant une paire d’électrodes dissymétriques alimentées par une très haute tension, il est possible d’ioniser l’air, de
créer un courant ionique et de générer un flux d’air
Le vent électrique
réf : The creation of electric wind due to the electrohydrodynamic force Park, S., Cvelbar, U., Choe, W. et al.. Nat Commun 9, 371 (2018)
(MIT)
ions
Des chercheurs ont réussi à faire voler un aéronef en associant ces
propulseurs élémentaires.
Il s’agira de construire un tel dispositif afin de comprendre le rôle de la
forme des électrodes, de la tension appliquée, de mesurer ses
performances et son rendement.
Le canon magnétique est un appareil simple qui convertit l'énergie magnétique en énergie cinétique. Lorsqu’une bille d'acier à faible
vitesse initiale heurte une chaîne constituée d'un aimant suivi d'un suite de billes d'acier, la dernière bille de la chaîne est éjectée à une
vitesse beaucoup plus grande.
Le canon de Gauss
réf. : Magnetic cannon: The physics of the Gauss rifle
Arsène Chemin, Pauline Besserve, Aude Caussarieu, Nicolas Taberlet, and Nicolas Plihon American Journal of Physics 85, 495 (2017)
Analyser les mouvements, comprendre la conversion énergie magnétique en énergie cinétique, étudier la propagation duc hoc dans la rangée de billes, associer plusieurs étages d’accélération pour un phénomène encore plus impressionnant, tels sont les objectifs de ce projet
Le tube de Ranque-Hilsch est un dispositif thermo-hydrodynamique constitué d’un simple tube dans le lequel un
flux d’air est insufflé tangentiellement à la température pour se séparer dans le tube et en ressortir aux extrémités
avec des températures et .
Le tube de Ranque
ref : Thermodynamics of Angular Propulsion in Fluids Jeliazko G. Polihronov and Anthony G. Straatman, Physical Review Letters 109, 054504 (2012)
Construire un tel tube, l’appareiller pour mesurer températures et flux, imager les écoulements permettra de mieux
comprendre ce phénomène intriguant à la lueur de travaux théoriques récents.
(wikipedia)
La pompe Fluidyne
réf. : The Fluidyne engine Alejandro Romanelli American Journal of Physics 87, 33 (2019)
Un moteur Stirling est un moteur à combustion externe et à fluide de travail en cycle fermé.
Une pompe Fluidyne est une machine à cycle de Sterling pour laquelle le piston et le déplaceur sont liquides.
Le projet consistera à fabriquer une telle pompe, à déterminer
son cycle de fonctionnement et à mesurer son rendement. On
pourra essayer de la faire fonctionner grâce à l’énergie
solaire…
La fontaine de granite
Référence : •Physics of the granite sphere fountain de Jacco H. Snoeijer et Ko van der Weele. American Journal of Physics -- November 2014 -- Volume 82, pp. 1029, 2014.
Ou comment faire « léviter » un boule ou un disque de granite d’une tonne (ou
moins) ? Comment explorer la théorie de la lubrification ?
Une fontaine de grains
Comment des grains peuvent remonter un tube et « couler »
comme une fontaine ?
Référence :•A granular fountain de R.E. Urbina et al.. American Journal of Physics -- July 2014 -- Volume 82, pp. 708, 2014.
Halos artificiels ou le soleil dans une boule
Comprendre et simuler la formation différents types de halos
atmosphériques (arcs, parhélie, cercle parhélique, circulaires à 22o).
Prisme statique, en rotation 2D ou 3D.
Référence :•Artificial halos [Am. J. Phys. 83, 751 (2015)] de Markus Selmke.
Le rebond d’une super-balle
Par la mesure des forces de réaction et de friction au moment du rebond, ainsi que sa vibration,
comprendre le comportement étonnant d’une super-balle (trajectoire et rotation post-impact).
Référence :•Impact behavior of a superball [Am. J. Phys. 83, 238 (2015)] de Rod Cross.
Tee time
Quand on plonge un toast beurré dans une tasse de thé, il se forme à la
surface des lentilles de beurres fondues dans lesquelles naissent et se
déplacent des « trous », pouvant former de très belles figures en
« dentelles ». Quelle est l’origine de ce phénomène ?
Référence :•When dipping toast into a cup of tea leads to a scientific investigation . Philippe Marmottant, Florian
Orthion, and Salima Rafaï, American Journal of Physics 87, 950 (2019); doi: 10.1119/10.0000025.
Faire chanter les verres
Vibration d’amplitude constante, mode de vibration pulsée ? Qu’est-ce
qui contrôle l’amplitude, la fréquence et la modulation du son produit
par un verre qui chante ?
Référence :•The Fourier spectrum of a singing wine glass. Reuben Leatherman, Justin C. Dunlap, and Ralf Widenhorn,
American Journal of Physics 87, 829 (2019); doi: 10.1119/1.5124230.
La bougie balançoire
Comment et pourquoi une bougie, allumée à ses deux extrémités, se
met à osciller autour de son centre de masse, et cela avec une
amplitude croissante ?
Référence :•The candle seesaw. Paul J. H. Tjossem, William B. Case, and Rachel M. Bass, American Journal of
Physics 87, 370 (2019); doi: 10.1119/1.5096886.
Equilibre des cotisations des actifs (Cm par actif) et
des pensions des retraités (Rm par retraité) S=Sa=Sr
Na*Cm =Nr*Rm,
C’est l’équation de l’équilibre d’une balance !
Qu’est-ce que l’âge d’équilibre ?
d) Augmenter Na en décalant le pivot
Si on fixe Sr=14%Pib, que Nr augmente,
pour rétablir l’équilibre on peut :
a) Augmenter le Pib (c’est le cas, 1% par an) mais…
b) Diminuer Rm (c’est forcé)
c)….
Nr augmente (à peu près 3% par an) et Rm constant :
Pour rétablir l’équilibre on peut :
a) ….
b) ….
c) ….
d) Augmenter Na en décalant le pivot Rm
Cm
Na Nr
Sa=Na*Cm Sr=Nr*Rm
Lorsqu’un spaghetto posé sur le bord d’une casserole est en train de cuire, sa forme change. Quelle sont les étapes de ce
changement ? Cela dépend-il de sa composition ? Peut-on corréler la cuisson al dente et la forme du spaghetto ?
Forme d’un spaghetto en train de cuire
référence : - N. Goldberg et al., Phys. Rev. E, 101, 013001 (2020)
Il est bien connu que le temps de chute d’un aimant dans un tube conducteur est plus long que dans un tube isolant. C’est le freinage
magnétique. Mais comment varie la vitesse de chute avec le nombre d’aimants ? Et il semblerait que cette durée passe par unmaximum pour un nombre optimal d’aimants. Peut-on expliquer et confirmer ce phénomène ?
Freinage magnétique
références : F. Behroozi, The Physics Teacher 56, 474 (2018). G. Ireson et al., Eur. J. Phys. 29 (2008) 745–751
Un tissu à base de soie se présente sous forme de réseau. Les fils de soie tissés entre eux forment alors un réseau plus fin qui
diffracte la lumière visible. Mais que se passe-t-il lorsque l’on déforme le tissu ? Et si on plie en deux, un moiré se forme. Quand est-ilalors du réseau diffracté ?
Des moirés dans la soie
références : R. K. Avvari, The Physics Teacher 58, 46 (2020). T Latychevskaia et al., Ultramicroscopy 197, 46 (2019)
Lorsqu’un oscillateur entretenu n’est pas amorti, la résonnance peut-être explosive. Cependant cette transition dépend de la
fréquence excitatrice et on peut observer différents modes d’oscillations. En utilisant un pendule de Blackburn forcé on peut étudierles transitions entre ces modes qui se caractérisent par des mouvements de l’oscillateur très étranges.
L'oscillateur trop résonnant
références : -W. Case, Am. J. Phys., 48, 218 (1979).
Une goutte de pluie qui impacte une flaque d’eau sur un sol plat crée une onde dont le front est quasi-circulaire. La vitesse de groupe
ne dépend donc pas de la direction. Mais qu’advient-il de ce front lorsque la flaque n’a pas une profondeur constante ? Sans doute laréfraction influence-t-elle la propagation, mais comment ? Quelle figure va apparaître ? Et si le sol présente une rainure, quelle forme
peut-on attendre ?
Des ronds dans l'eau pas si ronds
références : C. Lagoute, Bull. Union. Phys. 852, vol. 97, 441 (2003)