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La science derrière l'explosion des gouttelettes d'eau est plus simple que nous ne le pensions

La science derrière l'explosion des gouttelettes d'eau est plus simple que nous ne le pensions

Déterminer la quantité de champ électrique qu'une goutte d'eau peut gérer avant d'éclater a longtemps tourmenté les scientifiques.

Le concept semble facile mais trouver une formule mathématique simple qui explique ce phénomène s'est avéré difficile - jusqu'à présent.

Une équipe de scientifiques du MIT a déterminé une formule simple pour évaluer la stabilité d'une gouttelette électrifiée. C'est tellement basique qu'on peut le faire avec un crayon et du papier.

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«Avant nos résultats, les ingénieurs et les scientifiques devaient effectuer des simulations intensives en calcul pour évaluer la stabilité d’une gouttelette électrifiée», explique l’auteur principal Justin Beroz, étudiant diplômé du Département de génie mécanique et de physique du MIT.

«Avec notre équation, on peut prédire ce comportement immédiatement, avec un simple calcul papier et crayon. Cela présente un grand avantage pratique pour les ingénieurs travaillant avec ou essayant de concevoir tout système impliquant des liquides et de l'électricité. »

La découverte pourrait aider de nouvelles méthodes de voyage dans l'espace

L'équipe à l'origine de la découverte a déclaré que la nouvelle formule pourrait conduire à de nouvelles avancées dans divers domaines, de la propulsion spatiale à la spectrométrie de masse, en passant par l'impression haute résolution, la purification de l'air et l'analyse moléculaire.

Les gouttelettes d'eau se forment comme de petites sphères grâce à la tension superficielle. Cette force lie les molécules d'eau à la surface d'une gouttelette et tire les molécules vers l'intérieur, formant la forme.

Cette forme parfaite peut être déformée si elle est exposée à d'autres forces telles qu'un champ électrique. La tension superficielle tente de maintenir la forme des gouttelettes mais la force opposée du champ tire la gouttelette hors de forme.

«À un moment donné, si le champ électrique est suffisamment fort, la gouttelette ne peut pas trouver une forme qui équilibre la force électrique, et à ce stade, elle devient instable et éclate», explique Beroz.

Beroz dit que son équipe était intéressée par le moment - juste avant que la gouttelette éclate et quand elle est dans sa forme la plus déformée.

Une expérience ennuyeuse donne des résultats

Pour examiner cela, les chercheurs ont mis en place une expérience dans laquelle ils ont lentement dispersé des gouttelettes d'eau sur une plaque électrifiée et ont utilisé une caméra ultra-rapide pour enregistrer les gouttelettes.

"L'expérience est vraiment ennuyeuse au début - vous regardez la gouttelette changer lentement de forme, puis tout d'un coup elle éclate", dit Beroz.

Au départ, l'équipe vient de documenter une gamme de gouttes modifiant la taille de la goutte et la force du champ électrique. Plus tard, chaque image de la gouttelette a été isolée pour examiner le changement de forme de la gouttelette lorsqu'elle était déformée par le champ. Beroz a décrit la forme extrêmement stable de chaque gouttelette juste avant son éclatement et a calculé plusieurs paramètres tels que le volume, la hauteur et le rayon de la gouttelette.

Il a ensuite tracé ces données et a constaté qu'elles tombaient le long d'une ligne droite.

«D'un point de vue théorique, c'était un résultat étonnamment simple étant donné la complexité mathématique du problème», dit Beroz.

«Cela a suggéré qu'il pourrait être négligé, mais simple, moyen de calculer le critère d'éclatement pour les gouttelettes.»

Rester simple

La clé de la découverte de l'équation simple était de ne pas tenir compte de la hauteur de la gouttelette et de se concentrer plutôt sur son volume.

«Au cours des 100 dernières années, la convention était de choisir la hauteur», dit Beroz.

«Mais à mesure qu'une gouttelette se déforme, sa hauteur change, et donc la complexité mathématique du problème est inhérente à la hauteur. D'un autre côté, le volume d'une gouttelette reste fixe quelle que soit la façon dont elle se déforme dans le champ électrique. "


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