Membranes plissées à la surface de l'eau : des films élastiques aux radeaux granulaires

Folds in floating membranes : from elastic sheets to granular rafts

• Auteur / Autrice : Etienne Jambon-Puillet
• Direction : Christophe Josserand, Suzie Protière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 03/10/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Hamid Kellay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Roman, Isabelle Cantat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charles Baroud, Florence Rouyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Flambage (mécanique)

Gouttes

Milieux granulaires

Mots clés libres

Flambement

Plis

Particules aux interfaces

Elastique

Granulaire

Goutte

Buckling

Folds

Particle Laden Interfaces

Résumé

Cette thèse porte sur le flambement d'une interface chargée en particules: une monocouche de grains denses et athermaux à une interface liquide-fluide plane que l'on appelle radeau granulaire. Ces radeaux se rident et se plient lorsqu'ils sont compressés comme des films élastiques. Nous étudions cette instabilité de flambement expérimentalement et théoriquement dans ces deux systèmes dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Nous commençons par examiner les plis dans des films élastiques denses. Nous soulignons l'influence du poids du film dans la formation du pli. Puis nous explorons le régime des très grandes déformations, après que le film soit entré en contact avec lui-même. Suivant la densité du film, le pli se replie vers l'interface ou s'enfonce vers le fond de la cuve. Ensuite nous étudions les rides et les plis dans les radeaux granulaires compressés uniaxialement. A mesure que la compression augmente, nous observons deux motifs de ride distincts, puis la déformation se localise en un unique pli. Nous prédisons la forme et la taille des plis avec un modèle élastique résolu numériquement. Nous insistons sur les limitations de ce modèle et montrons que le caractère granulaire de ces radeaux n'est pas toujours négligeable. Enfin, nous déposons des gouttes d'eau à la surface des radeaux. Lorsque les particules sont hydrophobes et suffisamment grandes, elles capturent un film d'huile qui sépare la goutte du bain et empêche la coalescence. Puis nous modifions la taille de ces gouttes qui prennent des formes inhabituelles. Ces gouttes peuvent ensuite être encapsulées dans une fine couche de particules et d'huile conduisant à des gouttes d'eau dans l'eau.

This thesis is concerned with the buckling of a model particle laden interface: a monolayer of dense, athermal particles at a planar liquid-fluid interface that we call a granular raft. Under compression granular rafts wrinkle and fold like elastic sheets. We investigate this buckling instability experimentally and theoretically for these two systems under the continuum mechanics framework. We first look at folds in custom made dense floating elastic sheets. We highlight the influence of the sheet's own weight in the fold formation and shape. Then we explore the regime of very large deformations, after the sheet contacts itself. Depending on the sheet density, the fold in self-contact either bends back toward the interface or sinks down toward the bottom of the tank. We then look at wrinkles and folds in granular rafts. Our experimental apparatus allows us to compress the rafts uniaxially and extract their morphology. As compression increases, we observe two distinct wrinkling patterns, then the deformations localise in a unique fold. We develop an elastic model that we solve numerically to predict the fold shape and size. We then highlight the limitations of the model and show that the granular nature of these rafts cannot always be neglected. Finally, we deposit water droplets on top of granular rafts. If the particles are hydrophobic and large enough, the raft can inhibit coalescence indefinitely via particle bridging. When we vary the size of these floating drops, they take unusual shapes which depend on the raft properties. These drops can then be encapsulated in a thin composite oil-particle layer leading to water droplets in water.