Gouttes, bulles, perles et ondes Collection : Échelles Editeur : Belin Directeur de collection : Michel Laguës Pierre-Gilles de Gennes, Françoise Brochard-Wyart, David Quéré Les gouttes et les bulles sont des objets familiers qui posent nombre de questions, pour le curieux comme pour l'industriel : pourquoi les petites gouttes restent-elles accrochées au parebrise des véhicules lorsqu'il pleut? Si les mousses sont recherchées dans les shampooings, comment les éviter dans les lave-vaisselle?comment «mouiller» de façon optimale les feuilles lorsqu'on y pulvérise de l'insecticide, et éviter ainsi la formation de gouttes qui roulent comme des perles pour polluer les sols? Cet ouvrage s'attache à décrire ces phénomènes de capillarité et de mouillage, aux applications très variées. Il s'adresse avant tout à l'étudiant de 2e et 3e cycle universitaire, qui trouvera là les principes fondateurs d'un domaine original, illustrés par des expériences et des situations industrielles concrètes. La force du propos tient à la démarche des auteurs, s'appuyant autant que possible sur des arguments simples, qui permettent de comprendre vite et d'inventer des situations nouvelles. Un livre attendu par tous et qui fera date sur le sujet. Pierre-Gilles de Gennes est professeur au Collège de France, Directeur de l'espci, Prix Nobel de physique. Françoise Brochard-Wyart est professeur à l'université Pierre-et-Marie-Curie. David Quéré est directeur de recherche au CNRS. Échos des médias Journal de 13 h de France-Inter 5 mars 2002 Pierre-Gilles de Gennes, co-auteur est l invité du journal. Nouvelle vie ouvrière 1er mars 2002 Pierre-Gilles de Gennes a accédé à l Olympe de la science, notre prix Nobel de physique a su garder la tête froide et le sens des réalités. Et continue de promouvoir la science auprès des jeunes. Introduction. Le monde des gouttes, bulles, perles et ondes Objectifs
Chapitre 1. Capillarité : interfaces mobiles 1. La tension superficielle 1.1 Origine physique 1.2 Définition mécanique : énergie superficielle et force capillaire 1.3 Mesure des tensions superficielles (et interfaciales) 1.4 Discontinuité de la pression : Laplace 1805 1.5 Surfaces minimales 1.6 Surfaces minimales de courbure nulle 2 Contact à trois phases : mouillage 2.1 Deux types de mouillage : le paramètre d'étalement S 2.2 Critères de mouillage : règle de Zisman 2.3 Choix des couples solide/liquide 2.4 Substrat liquide : construction de Neuman - Annexe. Surfaces minimales. Équations d'euler-lagrange Chapitre 2. Capillarité et pesanteur 1 La longueur capillaire 2 Gouttes et flaques en mouillage partiel 2.1 Forme des gouttes 2.2 Gouttelettes 2.3 Gouttes lourdes 2.4 Techniques expérimentales de caractérisation des gouttes 3 Ménisques 3.1 Taille caractéristique 3.2 Hauteur et forme 3.3 Ménisque sur un fil 4 Montée capillaire dans des tubes - Loi de Jurin 4.1 Historique 4.2 Loi de la montée capillaire 4.3 Raisonnement en pression 5 Lentilles flottantes 5.1 Le paramètre d'étalement 5.2 Forme des lentilles flottantes (S < 0) 6 Compléments sur les méthodes de mesure des tensions de surface 6.1 Formes de gouttes 6.2 Mesures de pression 6.3 Mesures de forces 6.4 Cas des interfaces solides «mous» Chapitre 3. Hystérésis et élasticité des lignes triples 1 Présentation des phénomènes 1.1 Avancée et reculée 1.2 Ancrage de la ligne triple 2 Élasticité de la ligne triple 2.1 Le mythe de la tension de ligne
2.2 L'élasticité de frange 3 Hystérésis pour des défauts espacés forts 4 Surfaces à défauts denses 4.1 Un exemple réaliste 4.2 Petits défauts non corrélés 5 Deux cas où l'on retrouve l'élasticité des cordes vibrantes 5.1 Cellules de Hele-Shaw 5.2 Bords de flaques 5.3 Distorsion des flaques 6 Rôle de l'agitation thermique Chapitre 4. Mouillage et forces à longue portée 1 Énergies et propriétés des films 1.1 Passage du macroscopique au microscopique 1.2 Changements d'épaisseur et pression de disjonction 1.3 Tension globale sur un film 1.4 Trois types de mouillage 2 Nature des forces à longue portée 2.1 Force de van der Waals 2.2 Cas où les forces de van der Waals dépendent de la température 2.3 Interactions de van der Waals des solides feuilletés : traitements de surface 2.4 Autres forces à longue portée 3 Quelques manifestations des forces à longue portée 3.1 Films sur support faiblement rugueux : la longueur de cicatrisation 3.2 Structure fine de la ligne triple 4 Les films stratifiés Chapitre 5. Hydrodynamique interfaciale 1 Mécanique des films : l'approximation de lubrification 2 Dynamique de films minces 2.1 Amincissement d'un film vertical 2.2 Nivellement d'un film horizontal 2.3 Instabilité de Rayleigh-Taylor 2.4 Instabilité de Plateau-Rayleigh 3 Mouillage forcé 3.1 Modèle Landau-Levich-Derjaguin (et une variante) 3.2 Liquides savonneux 3.3 Autres géométries 4 Dynamique de l'imprégnation 4.1 Présentation 4.2 Loi de Washburn 4.3 Régime inertiel 5 Vagues et rides 5.1 Condition d'eau profonde 5.2 Discussion de la relation de dispersion en régime inertiel 5.3 Atténuation
Chapitre 6. Dynamique de la ligne triple 1 Expériences de base 2 Relation force/vitesse 2.1 Le modèle mécanique (dissipation visqueuse) 2.2 Le modèle chimique 3 Modes d'oscillation d'une ligne triple 4 Dynamique du mouillage total Chapitre 7. Le démouillage 1 Épaisseur critique de démouillage 1.1 Film supporté sur un substrat solide 1.2 Film supporté par un substrat liquide 1.3 Films liquides intercalés 2 Démouillage visqueux 2.1 Substrat solide modèle 2.2 Substrats solides imparfaits 2.3 Substrats liquides 2.4 Démouillage spinodal 3 Démouillage inertiel 3.1 Le nombre de Reynolds Re 3.2 Le nombre de Froude : condition de choc 3.3 Démouillage inertiel liquide/liquide 4 Démouillage viscoélastique 4.1 Éclatement de films ultra-visqueux 4.2 Vie et mort des bulles visqueuses Chapitre 8. Surfactants 1 Les couples frustrés 1.1 Principe 1.2 La notion de balance hydrophile/hydrophobe (HLB) 2 Les associations de surfactants 2.1 Associations en volume : les micelles 2.2 Interfaces eau-air 3 Quelques applications des surfactants 3.1 Flottation 3.2 Détergence 3.3 Émulsification 3.4 Les surfactants en tant qu'agents de mouillage et de démouillage 4 Films et bulles de savon 4.1 Fabrication des films 4.2 Le rôle du surfactant 4.3 Les mécanismes de drainage 4.4 Vieillissement et mort des films
4.5 Le cas des bulles Chapitre 9. Interfaces spéciaux 1 Présentation 2 Mouillage des surfaces texturées 2.1 Modèles de base 2.2 Surfaces rugueuses composites 2.3 Perles et billes liquides 3 Mouillage et milieux poreux 3.1 Ascension capillaire dans un poreux 3.2 Angle d'équilibre à la surface d'un poreux 3.3 Expérience de pompage sur goutte 3.4 Expérience de pompage sur film 4 Interfaces mous 4.1 Principes du mouillage «élastique» 4.2 Observations expérimentales du mouillage élastique 4.3 Démouillage «élastique» d'un film intercalé 4.4 Transitions de mouillage sous cisaillement : principe de l'aquaplaning 4.5 Rôle des nucléateurs en mouillage forcé : sillage Cerenkov 4.6 Conclusion Chapitre 10. Phénomènes d'entraînement 1 Gradients chimiques 1.1 Expériences avec des vapeurs 1.2 Entraînement vers les régions mouillables 2 Gradients thermiques 2.1 Des gouttes qui aiment le froid 2.2 Émission de doigts 3 Mouillage réactif 3.1 Exemples 3.2 Colonne liquide dans un capillaire 3.3 Bigouttes 3.4 Gouttes filantes sur une surface solide plane 4 Entraînement par champ électrique 4.1 Intérêt des microsystèmes 4.2 Électrocapillarité 4.3 Principe de l'électro-osmose 4.4 Exemples Index