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Ondes de surface dans un système de deux phases fluides superposées

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Submitted on 1 Jan 1968

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Ondes de surface dans un système de deux phases fluides superposées

M. Papoular

To cite this version:

M. Papoular. Ondes de surface dans un système de deux phases fluides superposées. Journal de

Physique, 1968, 29 (1), pp.81-87. �10.1051/jphys:0196800290108100�. �jpa-00206623�

(2)

ONDES

DE

SURFACE DANS

UN

SYSTÈME DE DEUX PHASES FLUIDES SUPERPOSÉES

Par M.

PAPOULAR,

Laboratoire de Physique des Solides

(1),

Faculté des Sciences

d’Orsay, gi-Orsay,

France.

(Reçu

le 20

juin 1967.)

Résumé. 2014 On étudie la

propagation

et l’amortissement des ondes de surface dans un

système

de deux

phases

fluides

superposées. Lorsque

les effets de viscosité sont

prédominants,

le

régime

devient

apériodique,

les fluctuations de surface ne se

propageant plus.

Il est

possible d’analyser expérimentalement

la

dynamique

des fluctuations par diffusion

inélastique

de

lumière cohérente. En

régime périodique (faible viscosité),

on doit observer un doublet

Brillouin,

et en

régime apériodique

une raie centrale non

déplacée

en

fréquence.

En

pratique,

pour recueillir

un

signal appréciable,

il faut observer la diffusion dans une direction voisine de la réflexion

régulière (écart

maximum de l’ordre du

degré).

Abstract. 2014 The

propagation

and

damping

of surface waves are considered in a

system

of two fluid

phases.

At

high

viscosities the flow becomes

aperiodic,

the surface fluctuations

no

longer being propagated. Experimentally,

the

dynamics

of fluctuations can be studied

through

inelastic

scattering

of coherent

light.

At low viscosities

(periodic flow),

one should

observe a Brillouin

doublet,

while a

central, undisplaced

line should

correspond

to

aperiodic

flow. In order for the

signal

to be

appreciable,

one should observe the

scattering

in a direction

near that of

regular

reflection

(maximum

shift of order one

degree).

LE JOURNAL PHYSIQUE JANVIER 1968,

1.

Introduction.

- La loi de

dispersion

des ondes

superficielles

à la surface libre d’un fluide est bien

connue

[1] :

(X est la tension

superficielle,

p la masse

spécifique

du

fluide, g

l’accélération de la

pesanteur.

Nous nous proposons ici de discuter la

dispersion

et

l’amortissement des ondes de surface dans un

système

fluide

composé

d’une

phase semi-infinie,

recouverte

d’une deuxième

phase d’épaisseur

h

quelconque.

Les

deux

phases

sont

supposées

infinies dans les direc- tions

parallèles

à l’interface

infini »

signifie

bien

entendu : très

grand

par

rapport

aux

longueurs

d’onde

considérées).

Le terme de

gravité

n’est

appré-

ciable par

rapport

au terme de tension

superficielle qu’aux

très

grandes longueurs

d’onde

(typiquement :

À

= 2n >

1 cm; voir

[1]).

Pour des raisons

pratiques (expériences

de diffusion de

lumière,

voir

§ IV),

nous

(1)

laboratoire associé au C.N.R.S.

ne nous intéressons ici

qu’à

des

longueurs

d’onde très inférieures au

centimètre,

ce

qui

nous

permettra

d’omettre le terme de

gravité

dans les calculs.

Nous montrerons que l’on doit

distinguer

deux

régimes

de fluctuation

opposés,

suivant le

rapport

du

terme «

élastique »

de

type : rxq3/p

au terme d’amor-

tissement de

type : v2 q4 (le paramètre v

=

n/p est

dit : viscosité

cinématique) [2].

Si

«q3)p » v- q4@

il y

a

propagation

d’ondes de surface peu amorties.

Si

«q3)p « v2 q4,

@ les fluctuations de surface ne se

propagent

pas : on est en

régime apériodique.

Si l’on

envisage

alors une

expérience

de diffusion

de lumière cohérente par les fluctuations de

surface,

on

prévoit

que, dans le

premier

cas

(régime oscillant),

la lumière sera diffusée suivant les

composantes

Stokes et anti-Stokes d’un doublet

Brillouin,

alors

qu’en régime apériodique

la diffusion se fera selon une

raie centrale non

déplacée

en

fréquence.

Une telle

expérience,

dont nous discutons

au §

IV les chances

de

réussite, permettrait

de mesurer avec

précision

et

la tension

superficielle

et la viscosité.

II.

Équations

du mouvement et

conditions

aux

limites.

- Nous

désignons

par 1 le milieu fluide

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:0196800290108100

(3)

82

infini,

par l’ la couche fluide

d’épaisseur h;

par p, 7],

v

et p

la masse

spécifique,

la

viscosité,

la vitesse d’écou- lement et la

pression

dans le milieu

1;

par

p’, 7~’,

v’

et p‘

les

grandeurs correspondantes

dans 1’.

Enfin,

nous

désignons

par « et oc’ les tensions

superficielles

à

l’interface 1-l’ et à la surface libre de l’. Nous ne

faisons aucune

hypothèse quant

à

l’importance

rela-

tive de ces diverses

grandeurs.

On suppose par contre les deux fluides

incompressibles.

Nous

désignons

par Oz la direction verticale ascendante et nous fixons son

origine

à l’interface 1-l’. Nous étudions la propaga- tion d’ondes de surface suivant la direction horizon- tale Ox.

11.1.

ÉQUATIONS

DU MOUVEMENT. -- Dans le mi- lieu

1,

on a :

Les deux

premières équations

de ce

système repré-

sentent les

projections

sur Ox et Oz de

l’équation

de

Navier-Stokes;

la troisième traduit

l’incompressibilité

du milieu. On a dans le milieu l’ un

système identique d’équations.

On cherche des solutions

harmoniques

de

la forme :

On suppose Re

m’ positif,

comme Re m. Le milieu 1

étant infini ne

comporte

pas de termes en

e-mz. On omettra dans la suite d’écrire le terme de

phase

Nous poserons, pour

simplifier

encore

l’écriture :

Les

équations (2)

donnent :

II.2. CONDITIONS AUX LIMITES. - En 2’ = Ï2

(sur-

face libre de

1’),

les contraintes doivent être nulles :

où 1’ représente

la fluctuation de coordonnée z sur la surface : v’

dZ’

. Dérivant par

rapport

au

temps

la dernière des deux conditions ci-dessus et utilisant les

équations (4),

écrites à la cote z =

h,

on obtient :

De

même,

en z = 0

(interface 1-l’),

vitesses et contraintes doivent être

continues,

ce

qui

fournit

quatre équations supplémentaires.

La relation de

dispersion

cherchée est donnée par la condition de

compatibilité

de ces

quatre équations

avec les deux

équations (5).

Elle se met sous la forme :

D6

=

0,

D6

est le déterminant

(voir ( 6) ) .

(4)

Remarques :

a)

Dans

l’expression

de

D6,

nous avons utilisé la

relation : ,

b)

Il est entendu que, sauf mention

explicite,

m

représente

une notation

compacte

pour

l’expres-

sion

(ce

-

iy)

le

premier

terme

représente

la

pul-

sation et le second l’amortissement

(y

>

0).

III.

Discussion, les

deux

régimes d’amortissement.

- La relation de

dispersion D6

= 0 est

indépendante

du choix des divers

paramètres.

Nous ne la résoudrons

cependant

que dans deux cas limites : nous suppo-

serons d’abord que le milieu l’ est infini comme 1

(qh > 1),

ensuite

qu’il

est réduit à un film

superficiel (qh 1 ) .

Dans chacun de ces cas, nous

envisagerons

successivement deux situations extrêmes .

2 )

1

(régime périodique)

et

vq2 «

1

(régime apério-

dique).

’Jq

I I I .1. DEUX FLUIDES INFINIS

(qh » 1).

- Deux

possibilités

se

présentent : 1 m’h 1

> 1

ou ~ m’ h ~

1.

Nous écartons la seconde

qui représenterait

un

régime

très fortement amorti :

y ^~ v’ q2.

Nous nous

plaçons

donc dans le cas où :

qh » 1 »

1. Le déter- minant

D6

se réduit alors au

produit D2 D4

de deux

déterminants d’ordres 2 et 4

respectivement. D2

= 0

se met sous la forme :

qui représente

la loi de

dispersion

des ondes

superfi-

cielles à la surface libre du milieu 1’. Suivant que oc, est très

supérieur

ou très inférieur à v’2

q4,

on

est en

régime périodique :

ou

apériodique :

(racine purement imaginaire) . (8 b)

De

même, D4 =

0

représente

la

dispersion

des

ondes

superficielles

à l’interface 1-l’. Ces ondes sont totalement

découplées

des

précédentes puisque

la pro- fondeur de

pénétration

d’une onde de surface dans le milieu 1’ est d’ordre

q-1

ou

(Re

et que nous

supposons qh » 1, 1 mh 1 »

1.

D4

= 0 se réduit à :

(5)

84

Il est facile de voir que cette

équation

reste inva-

riante par

permutation

de p, 7~ m et

p’, J1’,

m’. Ceci

traduit

simplement

la

symétrie

du

problème,

dans le

cas

considéré qh > 1,

par

rapport

aux

paramètres

des deux milieux

(rappelons

que nous avons d’emblée

négligé

les effets de

gravité).

a) Régime périodique.

- Pour

simplifier (9),

nous

supposons l’un des milieux - l’ par

exemple

- beau-

coup moins

visqueux

que

l’autre,

lui-même assez peu

visqueux

pour que les ondes étudiées soient peu amorties :

On trouve :

b) Régime apériodique.

- Le résultat

précédent

sup-

pose - aq3 , » v2q4.

Si on renverse cette

inégalité P+P

(en

ne faisant

plus d’hypothèse

restrictive sur les valeurs relatives de v et

v’) : v2 q4 (ou v’2 q4),

@

P + P

on obtient pour

l’équation (9)

une

racine, purement

imaginaire,

de module :

Il est clair que

(8 a)

et

(8 b)

sont bien des cas

parti-

culiers de

(10 a)

et

(10 b).

III.2. FILM SUPERFICIEL

(qh « 1).

- Dans ce cas,

m’ h )

1

supposerait

dans le film une viscosité si faible que l’écoulement serait

pratiquement poten-

tiel

[1].

Si l’on

peut également négliger

les effets de viscosité dans le milieu

1,

il est

plus simple

de traiter

le

problème

par la théorie des fluides idéals en

régime

d’écoulement

potentiel. Compte

tenu des conditions

aux

limites,

on obtient :

Soit,

pour

qh 1,

deux

régimes périodiques (fai-

blement

amortis) :

Remarque.

- Dans la limite

opposée qh » 1, l’équa-

tion

( 11 ~

redonne :

Plaçons-nous

maintenant dans la situation

opposée : 1 1,

comme

qh.

En ne retenant que les termes du 1 er ordre en

h,

la relation de

dispersion D6

= 0

prend

la forme :

(6)

a) Régime périodique.

- Si

vq2, v’ q2,

on tire

de

(13) :

Si

vq2 v’ q2 (ce qui

suppose un film consi- dérablement

plus visqueux

que le fluide

sous-jacent) :

Notons que l’on retrouve ce résultat en considérant le

film,

du

point

de vue de

l’amortissement,

comme

une

pellicule

solide

posée

sur le fluide

[1].

La

présence

du film accroît l’amortissement dans la

proportion :

4

2vq2

1 c’est l’effet « calmant » bien connu de

l’huile sur l’eau.

b) Régime apériodique.

-

Si 1 vq2 (7)’ quel- conque), (13)

donne :

III.3.

REMARQUES. - a)

Les résultats

(14), (15)

et

(16)

ont été obtenus en ne tenant

compte

que des forces ordinaires de tension

superficielle,

normales à la

surface. Or la déformation même du film suscite des forces

tangentielles, proportionnelles

aux

gradients

de

tension

superficielle.

Ces forces s’annulent si le fluide

sous-jacent

est considéré comme idéal

[1].

Mais dans

un calcul

complet

du cas

général,

elles doivent être

prises

en

compte.

b)

La

comparaison

de

(14)

et

(16)

avec

(8 a)

et

(8 b)

montre que, dans les conditions relatives à ces

résultats,

le seul rôle du film est de modifier la tension super- ficielle.

c)

Revenant aux conditions de validité des diffé-

rents résultats

obtenus,

on aboutit au critère suivant :

suivant que le terme de tension

superficielle

de

type «q3Jp

est très

grand

ou très

petit

par

rapport

au

terme de viscosité de

type v2 q~,

le

régime

des fluctua- tions de surface est

périodique

ou

apériodique.

En

particulier,

en

régime apériodique,

l’amortis-

sement y

- Î

est très inférieur à

vq2, grandeur qui

mesure en

général

l’amortissement des oscillations

en

régime périodique (voir

par

exemple (8 a) ) .

IV. Diffusion

inélastique

de lumière cohérente par les ondes de surface. - IV . 1. LA THÉORIE DE RAY- LEIGH-MANDELSTAM. - Sur la base d’une théorie de

la réflexion diffuse sur une surface

irrégulière

due à

Rayleigh [3],

Mandelstam

[4]

a étudié la diffusion de la lumière ordinaire par les fluctuations

thermiques

de la surface libre d’un fluide. Il a d’abord calculé

l’amplitude quadratique

moyenne de ces fluctuations à l’aide de formules de

thermodynamique classique.

Utilisant ensuite les résultats que

Rayleigh

avait

déduits de la théorie des

réseaux,

il a pu calculer

l’amplitude

de la lumière diffusée elle-même. Man- delstam a obtenu la formule suivante pour l’intensité diffusée dans un

angle

solide

dQ

autour de la direc- tion

(cp, Oq)

à la

température

T :

À et

10

sont la

longueur

d’onde et l’intensité du rayon-

nement

incident; kB le

facteur de

Boltzmann;

ex la

tension

superficielle; 0 l’angle d’incidence; 6q l’angle

de diffusion et cp

l’angle

que fait le

plan

de diffusion

avec le

plan

d’incidence. Le vecteur d’onde q de la fluctuation de surface

responsable

de cette diffusion

est donné en module par :

Enfin,

le facteur

angulaire 1(8, Oq, c~) dépend

peu de (p, pour p 1.

Pour cp =

0,

il est donné par les formules

suivantes,

1> et étant les

angles

de réfraction

régulière

et

diffuse :

a) Champ électrique

dans le

plan d’incidence :

h) Champ électrique perpendiculaire

au

plan

d’in-

cidence :

On voit sur la formule

(17)

que le rendement de diffusion

DIII,

est d’autant

plus grand

que q est

plus petit. (18)

montre alors

qu’on

a intérêt à étudier la diffusion dans le

plan

d’incidence

(c~

=

0)

et dans

une direction aussi voisine que

possible

de la réflexion

régulière (8q ~ 6) .

Dans la

pratique,

on devra se

limiter à :

(8q - 8) N quelques

minutes

d’angle,

soit

avec une lumière

visible, à q N

300 cm-l. Dans ces

conditions, (19 a)

montre

qu’en polarisation parallèle

il faut éviter l’incidence de

Brewster (e +

(D

= n/2)

qui supprime

la réflexion diffuse comme la réflexion

(7)

86

régulière. D’ailleurs,

si on travaille sous

angle

d’inci-

dence

faible, (19 a)

et

(19 b)

se

simplifient

et

prennent

la même forme :

où n est l’indice de réfraction du fluide.

Substituant

(20)

dans

(17),

on trouve :

IV . 2. DisCUSSION.

- a)

Du

point

de vue

expéri- mental,

il est clair que l’on a intérêt à travailler en

lumière

cohérente,

à la fois du fait des faibles

angles impliqués (la dispersion angulaire

d’un faisceau laser

est de l’ordre de la

demi-minute),

et parce que l’on pourra faire

l’analyse

en

fréquence

de la lumière

diffusée.

Prenons par

exemple

les

caractéristiques numériques

d’un interface eau-air à

l’ambiante,

soit :

et un

rayonnement

de

0,5

!-le Si l’on observe à 10’ de la direction de réflexion

régulière,

on vérifie

qu’on

est

largement

en

régime périodique

et la formule

(21)

donne la valeur suivante pour le rendement de réflexion diffuse par unité

d’angle

solide :

et les formules

(8 a),

pour le

déplacement

de

fréquence

et la

largeur

de raie :

Ces valeurs

permettent d’espérer qu’une expérience

effectuée dans ces conditions donnerait facilement des résultats

positifs.

Notamment l’ordre de

grandeur

du

rendement

(obtenu grâce

aux faibles écarts

angulaires choisis)

est

largement supérieur

aux rendements ordi- naires de diffusion en volume.

b)

La formule de Mandelstam ne

dépend

pas de la

viscosité,

donc du

régime

des fluctuations. En

régime périodique,

la lumière est diffusée suivant les deux com-

posantes

d’un doublet « Brillouin »; chacune de ces

composantes correspond

à l’une des deux racines réel- les de la relation de

disp.ersion

ce = + En

régime apériodique,

cette relation n’a

qu’une

racine

imaginaire physiquement

intéressante :

et la lumière est diffusée suivant une seule raie centrale

(non déplacée

en

fréquence)

de

largeur

y. On pour- rait en

principe envisager

de suivre l’évolution du

spectre

d’une forme à

l’autre,

par

simple

variation

de

(620136),

c’est-à-dire de q,

passant

d’un

régime

d’amortissement

» 1

à l’autre

1

Mais il faudrait

augmenter q

d’au moins deux ordres de

grandeur,

donc diminuer

dI)4

d’un fac-

teur

104,

et l’on serait limité par la sensibilité de

l’expérience.

On

pourrait

par contre observer

plus

facilement les deux

types

de

spectre

sur deux fluides de viscosités très différentes : par

exemple

l’eau

(dou- blet)

et une huile

épaisse

de viscosité J1 ~ 1

gj(cm.s) (raie centrale).

Remarque.

- Une des difficultés

expérimentales majeures

sera sans doute d’assurer à la surface une

propreté rigoureuse.

Des

poussières

détermineraient

une diffusion centrale

susceptible

de masquer la raie

«

apériodique

».

c)

Dans cette

section,

nous n’avons discuté

jus- qu’ici

que le cas de la surface libre d’un

fluide,

donc

d’un seul indice de réfraction. A

partir

des calculs de

Rayleigh [3],

on

peut

montrer que la

présence

d’un film

superficiel

mince

(h C A),

introduisant un

deuxième

indice, augmente

en

général

le rende-

ment

DIII.,

par réflexions

multiples

sur les deux faces

du film. On

peut

donc

envisager

de vérifier des lois de variation

plus particulières,

telles que :

V. Conclusion. - La méthode de diffusion inélas-

tique

de lumière cohérente que nous venons de décrire devrait

permettre

une mesure

précise

des coefficients de tension

superficielle

et de viscosité

[5].

oc

pourrait

être déduit soit d’une mesure d’intensité diffusée

(formule

de Mandelstam

(17)),

soit - avec une

meilleure

précision

- du

spectre

diffusé. En

régime périodique

par

exemple, rx1l2

est

proportionnel

au

dépla-

cement de

fréquence,

tandis que la

viscosité n

est donnée

par la

largeur

de la raie diffusée

(formules (8 a) ) .

Nous avons vu aussi que

l’analyse

en

fréquence

per- mettrait de vérifier des

expressions particulières

telles

que

(15).

Une

application

intéressante consisterait à suivre la décroissance de ce à

l’approche

d’un

point critique thermodynamique

ou d’un

point

de

démixtion,

c’est-à-

dire

lorsque

la

séparation

des deux

phases

est sur le

point

de

disparaître.

Il n’existe pas, à notre connais- sance, de théorie

acceptable

de ce

phénomène.

Du

point

de vue

expérimental,

il est certain que dans le

cas

général

une

complication importante

résulterait de l’annulation simultanée de la différence des indices de réfraction

(voir

formule

(21 ) ) .

Par contre, on

peut envisager l’expérience

dans le cas d’un film

superfi-

ciel l’ sur un fluide 1 au

voisinage

du

point

de mixtion

de ces deux

phases. Plaçons-nous

par

exemple

en

(8)

régime périodique;

nous avons vu

(formule ( 14) )

que :

m2 = ~’ + «

q3.

L’évolution en

température

de l’écart

P

entre les

composantes

du doublet Brillouin

permettra

de déterminer la loi

oc(T)

en supposant connues les

dépendances

rx’

( T)

et

p ( T ) .

Remerciements. -

J’adresse

mes remerciements à M. le Professeur P. G. de Gennes

qui

m’a

proposé

d’étu-

dier ce

problème

et m’a fait bénéficier de ses remarques.

Notes

ajoutées

sur

épreuves.

1 ~ Ce travail était achevé

lorsque parut

une note

expérimentale

se

rapportant

au même

sujet [Ka- tyl (R. H.)

et

Ingard (U.), Phys.

Rev.

Lett., 1967, 19, 64].

Ces auteurs ont cherché à étudier la diffusion de lumière à la surface libre du méthanol d’une

part,

de

l’isopropanol

d’autre

part;

mais les résultats

(prélimi- naires)

obtenus ne sont pas très

probants

du fait des écarts

angulaires

considérables

qu’ils

se sont fixés

(cep = 50-, 0

=

800, Oq

=

700).

Il est même

surprenant, compte

tenu de ces

écarts,

de voir les auteurs cités

attribuer la moitié de leur

signal

à la diffusion de

surface,

l’autre moitié seulement étant attribuée à la diffusion en volume.

20 Il est intéressant de

rappeler

que le

concept

de tension

superficielle

ne concerne pas que les interfaces de milieux fluides. Ainsi W. W. Mullins et R. F. Se- kerka

( J. Appl. Phys., 1964, 35, 444), prenant

en

compte

la tension

superficielle

à l’interface

liquide-

solide d’un

alliage

binaire

dilué,

en cours de solidifi-

cation,

ont pu aboutir à un critère

général

de stabilité

de forme de l’interface. Il est clair en effet que la tension

superficielle

oc

(notre notation), jouant

par définition le rôle de constante de

rappel

à

l’égard

des

courbures,

tend à stabiliser la

planéité

de l’inter- face. Dans le modèle de Mullins et

Sekerka,

la loi

d’évolution d’une

perturbation superficielle comporte

un terme d’amortissement

proportionnel

à oc. C’est

également

le cas dans notre

expression (8 b) :

y =

2 ,

relative au

régime apériodique. [Je

suis reconnaissant à M. le Professeur

J.

Friedel d’avoir bien voulu me

signaler

cette

analogie.]

BIBLIOGRAPHIE

[1]

LANDAU

(L. D.)

et LIFSHITZ

(E. M.),

Course of theo-

retical

Physics :

« Fluid Mechanics ».

[2]

LANDAU et LIFSHITZ

[1]

font une distinction

analogue

dans le cas d’ondes de surface

purement

«

gravita-

tionnelles » à la surface libre d’un fluide.

[3]

RAYLEIGH

(J. W.),

Scientific

Papers,

V 322, 388.

[4]

MANDELSTAM

(L. I.),

Ann. der

Physik,

1913, 41, 609.

[5]

Une telle

expérience

est actuellement

projetée

par Mme M. BOUCHIAT et

M. J.

MEUNIER au Labora-

toire de

Physique

de

l’École

Normale

Supérieure.

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