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)