Exp´eriences et observations

Nous avons tent´e d’´etudier comment varie l’´epaisseur du film de vapeur aux tous premiers instants, apr`es le d´epˆot de la goutte sur la plaque. La goutte n’arrive jamais sans vitesse initiale si bien que le d´epˆot d’une goutte peut aussi ˆetre consid´er´e comme un impact. Nous avons pour cela effectu´e deux exp´eriences, l’une permettant de mesurer l’´epaisseur du film de vapeur par diffraction, l’autre de l’observer directement.

Exp´erience avec un laser Description du montage

Un laser arrive en incidence rasante sur une plaque `a 300◦

C. Une goutte liquide lˆach´ee avec un pousse-seringue tombe sur la plaque dans le faisceau. On enregistre alors avec une cam´era rapide (1000 images par seconde) la figure de diffraction obtenue directement sur le capteur CCD de la cam´era (montage analogue `a celui du chapitre 3). Le dispositif est d´etaill´e sur la figure 4.1.

Fig.4.1: Dispositif exp´erimental utilis´e pour mesurer l’´epaisseur du film de vapeur sous une goutte arrivant sur une plaque chauffante. L’alignement du faisceau laser avec la plaque se fait grˆace `a deux miroirs non repr´esent´es ici.

Difficult´es rencontr´ees

Plusieurs probl`emes ont ´et´e rencontr´es :

ˆ L’alignement de la goutte dans le faisceau laser aux premiers instants de l’exp´erience nous a oblig´es `a r´ealiser cette exp´erience lors d’un impact. En effet, l’air chauff´e par la plaque `a la sortie de la seringue ´etant en d´epression, des gouttes liquides se forment spontan´ement, ce qui nous a empˆech´es de les d´eposer de mani`ere contrˆol´ee. Nous avons donc plac´e le pousse-seringue `

a quelques centim`etres de la plaque. De cette hauteur, les gouttes rebondissent sur la plaque, comme nous le verrons dans la section II.

ˆ Le second probl`eme r´eside dans la puissance du laser. En effet, la cam´era utilis´ee `a cette fr´equence n´ecessite une certaine intensit´e lumineuse, ce qui nous a amen´es `a utiliser un autre laser, plus puissant (1 W) et de longueur d’onde 515 nm (vert).

4.2. FORMATION DU FILM DE VAPEUR 77 ˆ Lors de son arriv´ee, une goutte n’est pas encore aplatie mais sph´erique. La r´eflexion sur ses bords arrondis d´evie le faisceau laser, ce qui rend la figure de diffraction difficilement exploitable.

Observations

Les figures de diffraction observ´ees font l’objet de la figure 4.2. On peut en d´eduire quelques observations, qui restent discutables, compte tenu des images :

ˆ Au d´epart, le faisceau laser est diffract´e par la plaque chaude uniquement, et on n’observe pas d’interf´erences (a).

ˆ `A l’arriv´ee de la goutte, on observe une figure d’interf´erences (tr`es faible, soulign´ee par une fl`eche) dont l’interfrange augmente (l’´epaisseur diminue, b).

ˆ Ensuite, pendant quatre `a cinq millisecondes, le faisceau laser ne passe plus (c). ˆ On observe sur une image que la lumi`ere n’est plus diffract´ee mais diffus´ee (d).

ˆ Enfin, au d´epart de la goutte, on observe `a nouveau une figure d’interf´erences, puis le faisceau laser en entier.

Fig.4.2: Figures de diffraction observ´ees `a l’aide d’une cam´era rapide lors de l’impact d’une goutte sur une plaque chaude. Les interf´erences sont soulign´ees par une fl`eche (zone b).

Exp´erience de visualisation directe

Description du montage et limites de l’exp´eriences

La seconde exp´erience consiste `a placer la cam´era rapide sur une lunette grossissante et `a filmer la partie inf´erieure de la goutte. Les gouttes glissent lentement le long d’une tige avant de se rapprocher tout pr`es de la surface, le montage ´etant repr´esent´e sur la figure 4.3. La goutte, ´eclair´ee par derri`ere, apparaˆıt en noir sur les images (contre-jour) et le film de vapeur en blanc. La r´esolution n’est pas tr`es bonne, environ 20 µm.

Observations et r´esultats

La s´equence d’images obtenue est report´ee sur la figure 4.4. La formation du film de vapeur se fait en plusieurs ´etapes r´esum´ees sur la figure 4.5 :

78 CHAPITRE 4. QUESTIONS PARTIELLEMENT R´ESOLUES

Fig.4.3: Observation directe du film de vapeur sous une goutte en cal´efaction : sch´ema de l’exp´erience.

Fig.4.4: S´equence d’images repr´esentant l’apparition du film de vapeur sous une goutte en cal´efaction. Les images sont espac´ees de 200 ms.

t

1 2 3 4

e

4.2. FORMATION DU FILM DE VAPEUR 79 ˆ ´Etape 1 : quand la goutte liquide arrive sur la plaque, l’image reste noire. On n’observe pas de film avec notre r´esolution. Cependant, les bords de la goutte sont arrondis, preuve que la goutte est imm´ediatement en mouillage nul. Il existe sans doute un film de vapeur non visualisable par cette exp´erience (images 1 `a 3 de la figure 4.4).

ˆ ´Etape 2 : si la goutte est initialement froide, elle reste dans cet ´etat (en mouillage nul mais sans qu’un film de vapeur ne soit visible) pendant un temps τ d’environ 1 s. Ce temps d´epend de la temp´erature initiale de la goutte (il diminue quand la temp´erature de la goutte augmente), de son volume (il augmente avec le volume de la goutte) et de la temp´erature de la plaque chaude (il diminue quand la temp´erature de la plaque augmente). Ce temps a ´et´e mesur´e pour des gouttes de diff´erents volumes initialement `a temp´erature ambiante (environ 25◦

C) pos´ees sur une plaque `a 300◦

C. Les r´esultats sont repr´esent´es sur la figure 4.6.

Fig.4.6: Temps τ en secondes de l’´etape 2 (figure 4.5) d’une goutte d’eau initialement `a temp´erature ambiante (25

◦C) en fonction de son volume V en µL. La droite repr´esent´ee est la meilleure approximation lin´eaire des points exp´erimentaux. Elle a une pente de 0.02 s/µL.

ˆ ´Etape 3 et 4 : le film de vapeur croˆıt jusqu’`a atteindre son ´epaisseur d’´equilibre (images 3 `a 6 de la figure 4.4), `a laquelle il se fixe (images 7 et 8 de la figure 4.4).

Les images ont ´et´e binaris´ees (le seuil ´etait fix´e `a la main selon la luminosit´e). L’´epaisseur de la zone blanche sous la goutte a ´et´e mesur´ee de fa¸con automatique, `a l’aide du logiciel de traitement d’images ”scion image”.

La dynamique de croissance du film est report´ee sur la figure 4.7. Les points sont assez dispers´es, la r´esolution ´etant de plus ou moins un pixel, c’est-`a-dire plus ou moins 10 µm. L’´epaisseur d’´equilibre est atteinte en environ 500 ms.

80 CHAPITRE 4. QUESTIONS PARTIELLEMENT R´ESOLUES

1

0 0.5 1.5

Fig.4.7: ´Epaisseur e du film de vapeur sous une goutte en cal´efaction au cours du temps. `A gauche, l’´epaisseur e est en microm`etre, le temps t en millisecondes et les points sont espac´es d’une milliseconde. La goutte a un volume initial de 40 µL. `A droite, l’´epaisseur e normalis´ee par l’´epaisseur finale e´eq est trac´ee en fonction du temps t en secondes, pour diff´erents volumes de gouttes. Les points sont espac´es de 1/125 seconde.