Une équipe de chercheurs de l'Université Côte d'Azur et de l'Université d'Hokkaido a récemment mené une étude explorant la formation spontanée de motifs en spirale observée sur la surface libre tournée vers le bas d'un film liquide horizontal. La surface examinée par eux entraîne une instabilité de Rayleigh-Taylor, ce qui déstabilise l'interface entre deux fluides de densités différentes lorsque le fluide le plus lourd pousse le fluide le plus léger.

Les chercheurs ont observé que la décharge de liquide résultant de cette instabilité peut se produire sous forme de rideaux liquides se propageant, qui sont générés à la périphérie circulaire du film et apparaissent comme des bras spiraux tournant vers l'intérieur. A l'aide d'un automate cellulaire construit phénoménologiquement, ils ont démontré que ces motifs proviennent du verrouillage de phase, ce qui conduit à une décharge intermittente de liquide à débit constant sur toute la surface du film.

« Il y a environ 15 ans, Le Dr Laurent Limat et ses collègues ont étudié la dynamique spatio-temporelle de colonnes de liquide se déplaçant librement le long du bord d'un plat circulaire, " Christian Mathis, l'un des chercheurs qui a réalisé la présente étude, Raconté Phys.org . "Inspirés par leur travail, nous avons commencé l'étude d'un assemblage bidimensionnel de colonnes liquides, espérant décrire toutes les instabilités secondaires liées aux pertes de symétrie. Nous venons de trouver une telle instabilité, mais nous avons découvert que nous étions devant un système assez simple montrant un comportement extrêmement riche."

Dans leur étude, Mathis et ses collègues ont observé que l'augmentation du débit a donné lieu à une série de modèles complexes, comprenant un réseau hexagonal régulier de gouttes, un réseau hexagonal régulier de colonnes, comportement intermittent spatio-temporel des colonnes et, finalement, rideaux liquides formant des ondes en spirale.

L'appareil qu'ils utilisaient est assez simple, constitué principalement d'un récipient cylindrique semi-fermé, avec de l'huile de silicone qui y coule en continu par une entrée en haut et une grille à mailles fines en bas. Le récipient contient une quantité constante d'huile, déterminé par l'équilibre d'une dépression dans le récipient et le poids de l'huile.

Un excès de liquide dans le récipient fuit à travers la grille et forme un film liquide en dessous. Ce film déstabilise de différentes manières, en fonction du débit et de la viscosité de l'huile. A l'intérieur de cet appareil, tout est en PMMA transparent, car cela permet une observation facile et des mesures vidéo précises avec un éclairage adapté.

"A un débit suffisamment élevé, des rideaux liquides apparaissent, bouger comme des vagues et, finir par s'enrouler autour d'un point central et former des bras spiraux rotatifs, " expliqua Mathis. " Nous avons mesuré la fréquence de rotation de chaque bras et de l'ensemble du motif et la longueur des bras. L'observation clé est la formation spontanée de spirales en cassant la symétrie de rotation du système."

Les motifs en spirale peuvent être trouvés dans de nombreux systèmes, à la fois dans les expériences de laboratoire et dans la nature. La plupart de ces motifs en spirale tournent, avec les bras spiraux suivant le sens de cette rotation. Les motifs qui tournent dans la direction opposée sont assez rares et sont appelés antispiraux.

"Nous avons montré que des motifs antispiraux peuvent être produits dans un système liquide simple, dont on connaît toutes les équations gouvernantes, " Harunori Yoshikawa, un autre chercheur qui a mené l'étude, Raconté Phys.org . « Une enquête approfondie sur ce système « bien connu » fournirait des informations sur les rares occurrences de modèles antispiraux. »

L'expérience menée par Yoshikawa, Mathis et leurs collègues pourraient ouvrir la voie à d'autres études explorant la manifestation des modèles antispiraux. En outre, leur étude pourrait fournir une référence pour les théories de la formation de modèles.

"Nous nous concentrons maintenant sur la modélisation théorique, rechercher une équation modèle appropriée et les gammes de paramètres impliqués, " a déclaré Yoshikawa. "Nous espérons que nous révélerons théoriquement les caractéristiques essentielles de ces processus de formation de motifs."

Les chercheurs explorent également actuellement d'autres modèles observés dans leur système, car les spirales tournant vers l'intérieur n'étaient qu'une de leurs observations. Par exemple, le régime d'égouttement et certains des comportements particuliers des colonnes de liquide doivent encore être étudiés de manière approfondie. Dans l'étude menée par Mathis, Yoshikawa et leurs collègues, la dynamique des spirales semble être liée aux caractéristiques du film liquide lui-même, une découverte qu'ils cherchent également à approfondir.

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