Des gouttes se déplaçant toutes seules sur un support dentelé!

Une goutte d’un  liquide placé sur une plaque solide chauffée très au-dessus de sa température  de vaporisation ne s’évapore pas instantanément. Elle persiste, en lévitation sur le film de vapeur qu’elle produit.  Elle se vaporise lentement car le coussin de vapeur  l’isole thermiquement de la plaque chauffante.

 

Expérience de H. Linke et al. Une goutte déposée sur un support chauffé à texture en toit d’usine se déplace en auto-propulsion dans la direction indiquée par la fléche. La température du support est bien plus élevée que la température d’ébullition du liquide de sorte qu’ un film de vapeur sépare la goutte de la plaque. Crédit Nature Physics.

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On dit d’une telle goutte qu’elle est en caléfaction, c’est l’effet Leidenfrost, du nom du physicien qui, au dix-huitième siècle, l’observa pour la première fois. On observe le même phénomène avec de l’azote liquide (dont la température de vaporisation est d’environ -196°C) que l’on jette sur un sol à température ambiante.

 

Sur un support horizontal plan, les gouttes ainsi obtenues partent dans toutes les directions. Mais si on rend asymétrique le relief du support, par exemple en lui donnant une forme en toit d’usine, comme sur la figure ci-dessus, les gouttes partent toutes dans la même direction et atteignent une vitesse limite.

C’est ce qu’ont  observé en 2006 Heiner Linke et son équipe à l’université d’Oregon(Etats-Unis). Les dents du relief utilisées ont une longueur de l’ordre du millimètre et une hauteur de 0.15 mm. Les gouttes tombant sur cette surface chauffée accélèrent dans la direction indiquée par les flèches sur la figure et atteignent une vitesse de 5 à 15 cm/s. C’est un phénomène d’auto-propulsion.

En cliquant sur les écrans  vidéo suivants, on pourra voir  le déplacement d’une  goutte

1-  en temps réel

Crédit H.Linke

 

2-    au ralenti(caméra rapide)

Crédit H.Linke

 

Où le même effet a lieu avec un solide sur coussin de gaz

Tout récemment, une équipe dirigée par David Quéré aux laboratoires de l’ESPCI, Paris et du LAdHYS, Palaiseau, s’est penchée de nouveau sur ce phénomène. Pour voir si l’effet dépendait du  caractère liquide  de la goutte, ils ont refait l’expérience avec de petits disques de glace carbonique qui a la propriété de se sublimer à la pression atmosphérique. Placés sur la plaque chauffante, les disques  lévitent sur un coussin de gaz carbonique et présentent le même effet d’auto-propulsion.  Il n’est donc pas dû  aux déformations de la goutte, mais aux propriétés de la vapeur.

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On dit qu’un corps se sublime quand il passe par chauffage directement de l’état solide à l’état gazeux sans passer par l’état liquide, c’est le phénomène de sublimation.  Il faut pour cela que sa pression soit inférieure à une pression dite triple caractéristique du corps.

 

Des disques ( 1 mm x 10mm) de glace carbonique sur un support chauffé à relief en toit d’usine. Les vues successives sont prises à un intervalle de 300 millisecondes.  Crédit Nature Physics.

 

On peut alors expliquer ainsi le déplacement sur le relief en toit d’usine : la vapeur s’échappant sous le corps (goutte ou autre) soumis à l’effet Leidenfrost a une distribution de pression dûe aux reliefs asymétriques qui crée une poussée horizontale sur le corps en lévitation.

Et l’analyse complète du phénomène a permis de montrer que si, à l’inverse, le relief du support était symétrique, il tendait à freiner les gouttes, allant même jusqu’à les piéger !

 

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