Study of formation, travel and destruction by emptying of interfacial bubbles
Étude de la formation, du transport et de la destruction par vidange de bulles interfaciales
Résumé
Bubbles are everyday-life fluid objects that amused us when we were children. Also, they are a source of the inspiration for artists and an important educational tool to introduce several notions of physics. Not surprisingly, these objects are at the origin of many scientific studies for centuries. In this manuscript, we are interested in the formation, travel and destruction of interfacial bubbles, i.e., bubbles in contact with a solid or an air-liquid interface. First, we present an experiment about the formation of interfacial bubbles by the impact, at constant velocity, of liquid films on the free surface of a liquid bath. The air trapped between the bath and the liquid film drives the formation of an interfacial bubble and its size increases with the impact velocity. We show the existence of two distinct regimes of the air flow : one of them is governed by a visco-capillary mechanism at low impact velocity, the other, at high impact velocity, is driven by a competition between inertia and capillarity. Thereafter, we present a study about shrinking surface soap bubbles. We revisit the classical problem of the draining of a tank studying the case of a deformable tank, i.e. , an interfacial bubble sitting on a plate drilled with a circular orifice. Shrinking is studied as functions of key setting geometric and physicochemical parameters of the problem. We show the shrinking time can be understood with a model for the air flow based on Bernoulli’s principle, and a motion of a bubble during the shrinking that is driven by capillarity and is limited by the friction acting on its foot. We develop in the last chapter an educative method to measure the air viscosity with simple experimental equipment regularly used in our everyday life : a smartphone, a funnel, a pipe and soap solution. The experiment consists of studying the spontaneous motion of a thin liquid film in a funnel. We show this experiment can be used as a viscosimeter for gases (air in our experiments) with the conditions make the air flow describable by the Poiseuille’s equation and the liquid film moves quasi-statically.
Les bulles sont des objets du quotidien qui nous ont amusés étant enfant. Elles sont aussi une source d’inspiration pour les artistes et un outil pédagogique important pour introduire diverses notions de physique. Il n’est pas étonnant que ces objets soient à l’origine de recherches scientifiques depuis des siècles. Dans ce manuscrit, nous nous intéressons à la formation, au transport et à la destruction de bulles interfaciales c’est à dire des bulles en contact avec un solide ou une interface air-liquide. D’abord, nous présentons une expérience sur la formation de bulles interfaciales par impact, à vitesse constante, de films liquides sur la surface d’un bain du même liquide. L’air piégé entre la surface libre du bain et le film liquide conduit à la formation une bulle dont la taille augmente avec la vitesse d’impact. Nous montrons l’existence de deux régimes d’écoulements d’air qui contrôlent la formation de ces bulles : l’un régi par un mécanisme visco-capillaire à basse vitesse d’impact, l’autre, à haute vitesse d’impact, par une compétition entre inertie et capillarité. Nous présentons par la suite une étude sur la vidange d’une bulle interfaciale. Nous revisitons le problème classique de la vidange d’un réservoir en étudiant le cas d’un réservoir déformable, c’est à dire une bulle interfaciale posée sur une plaque percée d’un trou. La vidange est étudiée en fonction des paramètres clefs géométriques et physico-chimiques du problème. Nous montrons que le temps de vidange peut être compris en modélisant l’écoulement d’air qui s’échappe d’une bulle à l’aide du théorème de Bernoulli, et que le déplacement d’une bulle pendant la vidange est piloté par la capillarité et est limité par la friction agissant au pied de la bulle. Nous développons dans le dernier chapitre une méthode éducative pour mesurer la viscosité de l’air avec un matériel expérimental simple de nos vies quotidiennes : un smartphone, un entonnoir, un tube et de l’eau savonneuse. L’expérience consiste à étudier le déplacement spontané d’un film liquide mince dans un entonnoir. Nous montrons que cette expérience peut servir de viscosimètre à air dans des conditions pour lesquelles l’écoulement de l’air peut être décrit par l’équation de Poiseuille et le film liquide se déplace de façon quasi-statique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)