Dynamique des interfaces liquides, des films minces au sillage des bateaux

Dynamics of liquid interfaces, from thin films to ship wakes

• Auteur / Autrice : Michael Benzaquen
• Direction : Elie Raphaël
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Théorique
• Date : Soutenance le 29/05/2015
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Gulliver (Paris)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Howard A. Stone, Kathleen J. Stebe, Jean-François Joanny
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Dauxois, Stephan Herminghaus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Viscoélasticité

Mots clés libres

Films minces

Intermédiaires asymptotiques

Viscoélasticité

Glissement

Vagues

Résistance de vague

Thin-film

Viscoelasticity

Résumé

Nous présentons des résultats sur la dynamique des interfaces liquides à différentes échelles. Dans la première partie, nous étudions des systèmes liquides confinés dans le cadre de l'approximation de lubrification. Nous obtenons des résultats analytiques et numériques intéressants sur l'équation des films minces qui régit la dynamique de tels systèmes. Les résultats théoriques sont confrontés avec succès à des experiences de microscopie à force atomique sur des films minces de polymères dans différentes géométries. Nous explorons la physique qui résulte des effets inhérents à la nature des matériaux polymères tels que la viscoélasticité, le glissement aux parois ou encore la dynamique au voisinage de la température de transition vitreuse. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons au sillage engendré par le mouvement d'une perturbation à l'interface liquide-air. Motivés par des résultats expérimentaux qui semblent remettre en question la théorie de Kelvin sur le sillage des bateaux, nous montrons que deux angles peuvent être distingués dans le sillage. L'angle que forment les bords du domaine est bien constant, conformément à la théorie de Kelvin, alors que l'angle que décrivent les vagues de plus forte amplitude décroit avec le nombre de Froude. Nous nous penchons également sur les ondes gravito-capillaires et portons un intérêt particulier aux effets de taille finie sur la résistance de vague. Les deux parties peuvent être abordées de manière indépendante.

We present results on the dynamics of liquid interfaces at different scales. In the first part, we study confined liquid systems within the lubrication approximation. We obtain interesting analytical and numerical results on the thin-film equation governing the dynamics of such systems. The theory is successfully confronted to atomic force microscopy experiments on thin polymer films in different geometries. We explore the physics resulting from the intrinsic properties of polymeric materials such as viscoelasticity, slip at the solid- liquid interface as well as the dynamics near the glass transition temperature. In the second part, we tackle the problem of the wake generated by a moving disturbance at the air-water interface. Motivated by experimental results that seem to challenge Kelvin’s century old theory of ship waves, we show that two angles can be distinguished in the wake. The angle delimiting the wake is constant, consistent with Lord Kelvin’s theory, while the angle corresponding to the highest waves decreases as the Froude number is increased. We examine as well the case of capillary-gravity waves and focus in particular on the finite size effects on the wave drag. Both parts can be addressed independently.