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Une course d’obstacles pour gouttes

Une expérience impliquant le Laboratoire d’hydrodynamique de l’École polytechnique et le laboratoire Physique et mécanique des milieux hétérogènes vise à comprendre et maîtriser la vitesse des gouttes d’eau sur une surface hydrophobe.

Des gouttes d'eau et de glycérol de différentes viscosités dévalent une pente parsemée d'obstacles. Issu de "Hélène de Maleprade, Rafid Bendimerad, Christophe Clanet, and David Quéré, "Droplet hurdles race", Applied Physics Letters 118, 171601 (2021)", avec la permission d'AIP Publishing

Le 40 centimètres haies pourrait être une épreuve des jeux micro-olympiques, s’ils existaient. C’est en réalité une expérience menée en partenariat entre le Laboratoire d'hydrodynamique (LadHyX*) et le laboratoire Physique et mécanique des milieux hétérogènes (PMMH*). Une goutte posée sur une surface hydrophobe -qui repousse l’eau- se déplace très facilement, pouvant atteindre des vitesses de l’ordre d’un mètre par seconde. L’objectif de cette expérience, dont les résultats viennent d’être publiés dans Applied Physics Letters, consiste à comprendre l’évolution de cette vitesse lorsqu’on place des obstacles sur le parcours des gouttes.

Si des matériaux naturellement hydrophobes existent, comme les feuilles de lotus, les pistes de 40 cm sont ici gravées dans de l’aluminium, puis trempées dans une solution contenant des billes de silice de taille micrométrique. « Après l’évaporation du solvant, on obtient une texture hydrophobe sur laquelle une goutte tient sans s’étaler, un peu comme un fakir sur une planche à clous » décrit Hélène de Maleprade (X 2009) qui a réalisé cette expérience au cours de sa thèse. De petits créneaux de 1 mm de haut et 1,5 mm de larges, espacés de 4 à 12 mm selon les pistes, font office de haies. Enfin, un mélange d’eau et de glycérol, dont la concentration permet de varier la viscosité, forme les gouttes placées sur la ligne de départ. Incliner la piste de quelques degrés permet de lancer la course, enregistrée par une caméra rapide.

« En raisonnant à partir de lois d’échelle, nous capturons les ingrédients physiques qui permettent de rendre compte des observations » explique la scientifique. Ainsi, les chocs que les gouttes subissent contre les haies lorsqu’elles les franchissent sont modélisés par une force de friction globale qui contrebalance l’effet moteur de la gravité. La vitesse des gouttes chute d’au moins un facteur 10 par rapport à un parcours sans obstacle. Cet effet de ralentissement est nettement plus important que dans une précédente étude de l’équipe où les obstacles étaient bien plus rapprochés les uns des autres. En augmentant la viscosité, les scientifiques ont également sondé la transition entre un régime « inertiel », où les chocs sont prédominants dans le ralentissement et un régime « visqueux », où le liquide roule quasiment sans sentir les obstacles. « De façon surprenante, même une goutte à la viscosité cent fois plus élevée que l’eau reste sensible à l’effet des chocs » souligne Hélène de Maleprade, aujourd’hui en post-doctorat à l’IRPHE de Marseille. Parmi les perspectives qui pourraient prolonger cette expérience, les scientifiques se demandent comment se comporteraient d’autres liquides aux propriétés viscoélastiques, ou même des petites billes solides, dans une telle situation.

*LadHyX : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris

PMMH: une unité mixte de recherche CNRS, ESPCI