Une goutte, éclaboussant sur le bout d'une tige très mince, produit un rebord de fluide qui pulvérise des gouttelettes plus petites à mesure qu'il se dilate. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Comme une seule goutte de pluie tombe au sol, il peut rejaillir dans une feuille en forme de couronne, pulvériser de plus petites gouttelettes de son bord avant de retomber à la surface, le tout en un clin d'œil.
Maintenant, des chercheurs du MIT ont trouvé un moyen de suivre l'épaisseur du bord d'une gouttelette lorsqu'elle éclabousse depuis diverses surfaces. Cette mesure incroyablement spécifique, ils disent, est la clé pour prédire le nombre, Taille, et la vitesse des gouttelettes plus petites qui peuvent être éjectées de la jante, dans l'air.
Lydie Bourouiba, professeur adjoint de génie civil et environnemental et directeur du Laboratoire de dynamique des fluides de la transmission des maladies au MIT, dit que les résultats du groupe peuvent être utilisés pour modéliser la physique des sprays, tels que les pesticides qui éclaboussent les feuilles des cultures, ou des gouttes de pluie qui peuvent ramasser et propager des maladies lorsqu'elles rebondissent sur des surfaces contaminées.
"Notre enquête fondamentale vise à comprendre la physique des pulvérisations, et identifier les ingrédients clés qui contrôlent les sprays, si l'on veut minimiser les gouttelettes secondaires indésirables, ou améliorer les sprays pour enduire de manière homogène une surface, " dit Bourouiba. " Pour faire tout ça, il faut savoir comment le fluide se désagrège."
Bourouiba et ses étudiants ont publié leurs résultats dans la revue Lettres d'examen physique . Ses co-auteurs sont les étudiants diplômés Yongji Wang, Raj Dandekar, Nicole Bustos, et Stéphane Poulain.
Le nouveau modèle de l'équipe peut prédire l'évolution du bord d'une gouttelette pour une variété de scénarios, y compris le splash classique en forme de couronne. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Poussant vers l'avant
Depuis plusieurs années, Le groupe de Bourouiba a développé des algorithmes d'analyse d'images pour extraire et mesurer automatiquement certaines caractéristiques dans des vidéos à haute vitesse de processus de rupture de fluide. Les caméras ultra-rapides de pointe peuvent pour la plupart capturer, au ralenti, l'évolution d'une gouttelette éclaboussante - un processus qui prend environ plusieurs millisecondes, pendant quel temps, des milliers de petites gouttelettes peuvent être éjectées dans l'air.
Les scientifiques ont utilisé de telles vidéos à haute vitesse pour mesurer la taille des gouttelettes éjectées, l'épaisseur de la jante en expansion, et d'autres fonctionnalités de démarrage, largement à la main.
« Parce que toutes ces fonctionnalités changent constamment sur une courte période de temps, extraction de haute précision, les mesures non biaisées dans les données sont assez délicates, " dit Bourouiba. " Les algorithmes classiques sont incapables de capturer tous ces détails. "
Mesurer le bord d'une gouttelette peut permettre aux scientifiques de comprendre comment une seule gouttelette peut produire des pulvérisations lorsqu'elle est éclaboussée sur des surfaces telles que des feuilles. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
En revanche, les algorithmes de son équipe peuvent automatiquement discerner le bord d'une gouttelette éclaboussante et la distinguer des gouttelettes plus petites qui jaillissent du bord, et les ligaments qui se forment autour de la jante. Une fois que les algorithmes ont traité les données d'image, les chercheurs peuvent clairement séparer le bord du reste des caractéristiques de la gouttelette, et extraire sa taille, à tout instant pendant le processus de projection.
L'équipe a mis en place plusieurs expériences pour voir si elles pouvaient détecter une tendance commune dans la façon dont le bord d'une gouttelette évolue lorsqu'elle éclabousse une surface. Les chercheurs ont testé environ 15 liquides de viscosité et de viscoélasticité variables, ou filandreux. Ils ont libéré des gouttes uniques de chaque liquide d'une "tour de gouttes" de haute précision, " un montage qui permet de manipuler très précisément la taille de la goutte libérée, l'orientation de la surface en dessous, et les conditions d'éclairage dans lesquelles enregistrer la gouttelette à l'aide de caméras à grande vitesse.
L'équipe a libéré chaque gouttelette sur différentes surfaces, comprenant un bassin d'eau, le bord d'une surface, surfaces de rugosités différentes, surfaces recouvertes d'une fine pellicule liquide, et de petites surfaces de taille comparable à celle de la goutte, à savoir des tiges.
Après avoir affiné les algorithmes pour analyser automatiquement chaque vidéo de goutte, ils ont commencé à remarquer un motif dans la façon dont le bord d'une gouttelette a évolué au fil du temps. La jante n'est généralement pas lisse, mais montre des ondulations et des renflements. Les chercheurs ont montré que la génération instantanée de ces ondulations le long de la jante est indépendante de l'accélération et est plutôt principalement déterminée par la géométrie de la jante. Cependant, l'épaisseur de la jante est liée à l'accélération de la jante lorsqu'elle se dilate dans l'air. Plus l'accélération de la jante est grande, plus le bord est fin, et les gouttelettes les plus rapides se détachent au fur et à mesure de son expansion.
En d'autres termes, c'est l'accélération de la jante qui détermine la quantité de fluide restant dans la jante et la quantité de fluide expulsée de la jante dans l'air, finalement sous forme de gouttelettes.
"C'est comme quand on est dans une voiture qui décélère soudainement, " dit Bourouiba. " La décélération du référentiel de la voiture introduit une force fictive qui pousse vers l'avant. C'est la même chose que ce que ressent un volume de fluide lorsque toute la feuille décélère."
Une idée clé des chercheurs est que le changement d'accélération au fil du temps est important. Si une ondulation grandit plus que ses voisines pour devenir un renflement, la force virtuelle instantanée qu'il ressent compte tenu de la décélération instantanée finit par le pousser plus en avant que ses voisins, entraînant son allongement et son détachement ultime sous la forme d'une gouttelette.
Établir un lien
De leurs observations expérimentales, l'équipe a mis au point une équation simple pour prédire l'épaisseur du bord d'une goutte en fonction de son accélération, à n'importe quel point le long de la jante et à n'importe quel moment pendant le processus d'éclaboussure. L'équation est basée sur ce que l'on appelle un nombre de Bond, un nombre adimensionnel généralement utilisé pour comparer les forces gravitationnelles aux forces d'inertie.
L'équipe du MIT a libéré des gouttelettes sur une variété de surfaces, y compris sur la pointe d'une tige très fine, et des gouttelettes et des ligaments capturés s'envolant de la jante au cours d'une seule éclaboussure. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
« Si ce nombre est très grand, la gravité domine, comme pour une grosse flaque d'eau qui va s'aplatir parce que la gravité la tire vers le bas, " dit Bourouiba. " Pour une toute petite goutte, ce n'est pas plat, mais sphérique, car la tension superficielle domine. Si le numéro de Bond est égal à 1, les deux forces sont en équilibre."
Avec leur nouvelle équation, les chercheurs ont remplacé la gravité par une accélération instantanée de la jante, et utilisé l'équation pour calculer le nombre de Bond - essentiellement, le rapport entre les forces induites par l'accélération de la jante et la tension de surface, à n'importe quel point le long de sa jante à chaque fois. Plus le nombre de Bond est élevé, plus l'accélération domine en un point donné de la jante, et plus cet endroit est susceptible de se briser et de libérer une plus petite gouttelette dans l'air. Plus le nombre de Bond est petit, plus la tension superficielle domine et agit pour garder la jante intacte.
L'équipe a constaté que pour les jantes instables, le numéro de Bond tel qu'ils l'ont défini, reste égal à un à tout moment, conduisant à un modèle théorique très simplifié de l'épaisseur de la jante, malgré la complexité de ce processus qui évolue continuellement dans le temps.
L'équipe a découvert que la théorie tient dans toute une gamme de viscosités, y compris les liquides aussi minces que l'eau, et aussi épais que le plasma ou le lait. Il peut également prédire comment la jante évolue lorsqu'une gouttelette est projetée sur une variété de surfaces, avec des géométries différentes.
"La théorie n'est pas seulement universelle à travers les configurations [de surface], mais peut continuer à tenir pour une grande famille de fluides industriels et biologiques, par exemple, ", dit Bourouiba.
Précédemment, les scientifiques n'avaient pu concevoir une théorie pour prédire l'épaisseur d'une jante que dans des configurations "stables", comme un jet d'eau continu s'écoulant d'un robinet à un débit constant. Une telle situation est considérée comme stable, car cela produirait une nappe d'eau jaillissant de la surface, avec une taille de jante et d'autres propriétés qui ne changeraient pas avec le temps.
"Mais tous les impacts de gouttes, des gouttes de pluie, décontamination ou pulvérisation de pesticides, ou d'autres processus de fragmentation tels que les éternuements, sont en fait instables, un aspect du problème qui n'a pas été abordé dans des travaux antérieurs, " dit Bourouiba. " Nous avons montré que cette nouvelle théorie est valable pour une large classe de problèmes qui sont instables. "
« Les minuscules gouttelettes émises peuvent être transportées très loin du lieu où a lieu l'impact, par exemple, pathogènes, ou d'autres types d'organismes ou de molécules, " dit José Manuel Gordillo, professeur de mécanique des fluides à l'Université de Séville en Espagne. "Je crois que ces découvertes aideront non seulement à la compréhension de base de la fragmentation instable des jantes dans le processus naturel, mais aussi dans les applications liées, par exemple, avec impression."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
