Indescreet trails at the surface
Indiscrétions aux interfaces
Résumé
We investigate several phenomena at the surface of water, that are either traces of an object, or of a former event. First, we study the cavities formed by explosions at the surface of water. In a large bath, the cavities grow with a hemispherical shape, and then collapse anisotropically, what creates a vertical jet. This evolution results of an energy balance between kinetic and potential energy. Confining the cavities in vertical opened tubes we observe that the cavities never escapes. In a second part, we study the impact of vortex rings on surfaces. We observe that the vortex diameter is doubled in the interaction we the free surface of water, while it expands a lot more in ethanol. This difference comes from the fact that the free surface of water is equivalent to a rigid surface for the ring, what enhances the formation of secondary vortices. The third part deals with the wave drag of submerged spheres. We observe that there is a large discrepancy between the predicted and measured force, in the range where it is large. We measure the waves amplitude and show that taking into account their saturation can correct the theoretical estimation.
Un corps qui se déplace dans l'eau y laisse des empreintes qui deviennent visibles s'il se rapproche de la surface. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement et théoriquement trois types différents d'empreintes, les "explosives", les "tourbillonnantes" et les "ondulantes". Les premières sont créées par des explosions à la surface de l'eau et engendrent des cavités dont on étudie la taille maximale et à la dynamique. Contrairement aux cavités d'impact, ces cavités explosives se caractérisent par une ouverture isotrope (cavité hémisphérique) et une fermeture anisotrope qui donne lieu à la formation d'un jet central. Si l'explosion est confinée par un cylindre ouvert de "petit" diamètre, on montre que la cavité se développe dans le cylindre mais n'en sort jamais, quelle que soit l'énergie de l'explosion. Pour les empreintes "tourbillonnantes", on étudie l'impact d'un tourbillon toroïdal sur une surface libre avec une attention particulière pour la taille maximale de la région perturbée et la durée de l'interaction. On montre que la nature chimique de l'interface joue un rôle crucial sur l'interaction: dans l'eau, celle-ci engendre des tourbillons secondaires qui limitent à deux diamètres la taille de la zone perturbée. Ces tourbillons sont supprimés dans l'éthanol et l'interaction s'y poursuit sur des dizaines de diamètres. La troisième partie "ondulante" porte sur la trainée de vague de sphères immergées. Expérimentalement, nous observons un fort écart entre les modèles théoriques classiques et la mesure, dans la gamme de profondeur et de vitesse pour laquelle celle-ci est importante. En étudiant le sillage de surface formé par les sphères, on montre que la saturation en amplitude de celui-ci est à l'origine de cet écart.
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