Résistance de vagues

Protocoles et Méthodes

Le but de cette partie est de fournir les informations nécessaires à la réalisation de l’expérience, et de décrire les différents étapes que nous avons effectué pour retrouver nos résultats.

Matériel nécessaire à l’expérience :

  • Cuve en plexiglas 50 X 10 X 12 cm étanche à l’huile utilisée huile de densité plus élevée que l’eau (exemple avec de l’huile perfluorée : Galden HT 270 Heat Transfer Fluid, lire les informations relatives à la sécurité)
  • Colorant alimentaire
  • Eau
  • Pousse-seringue
  • Seringue
  • 2 aiguilles de diamètre 1,2 mm
  • Tubes souples adaptés pour relier la seringue à l’aiguille, et l’azote sortant par l’aiguille à la surface de la cuve
  • Détendeur
  • Bouteille d’azote ou d’air comprimé
  • Caméra capable de filmer à plus de 100 images par seconde avec support rigide pour la fixer au dessus de la cuve.
  • Support rigide de hauteur adaptable pour maintenir les aiguilles à la verticale / horizontale
  • Éclairage homogène au dessus de la cuve (rampe de LED)
  • Ordinateur pour le traitement numérique
  • Congélateur ou réfrigérateur

Démarche expérimentale

Manipulation et acquisition des vidéos

  1. Placer préalablement de l’eau colorée au congélateur, puis la sortir environ 15 min avant la manipulation, pour disposer d’eau froide colorée (température proche de 5°C désirée). L’objectif est d’avoir une différence de température entre l’huile et l’eau d’environ 15°C ou plus sans avoir à chauffer l’huile.
  2. Pendant ce temps, remplir la cuve d’huile.
  3. Mettre en place une aiguille verticalement au-dessus de la cuve, reliée à la seringue via un tube souple, et remplir cette dernière d’eau froide colorée. La placer sur le pousse-seringue. Puis mettre en place l’autre aiguille horizontalement, au bord de la cuve, parallèlement au bain (cf figure 2). Relier l’aiguille via un tube souple au détendeur, connecté à la bouteille d’azote.
  4. Disposer la caméra au dessus de la cuve. Visualiser et centrer la caméra à l’endroit où les gouttes sont délivrées.
    Mettre en place l’éclairage au-dessus de la cuve, en inclinant la barrette de LEDs de telle sorte que la vague formée par la goutte soit bien visible à la caméra (éclairage oblique préférable à un éclairage vertical).
  5. Trouver un débit adapté pour délivrer des gouttes toutes les 3 secondes. De même, augmenter doucement le débit de gaz délivré par le détendeur et d’arrêter avant de perturber la surface du bain d’huile, ou d’arracher les gouttes qui se forment sur l’aiguille.
  6. Ajuster la hauteur de l’aiguille délivrant les gouttes d’eau, pour obtenir l’effet Marangoni : la goutte ne doit pas coalescer directement dans le bain d’huile, elle glisse sur le bain, poussée par le flux d’air. La hauteur de l’aiguille est d’approximativement 1 cm par rapport à la surface du bain.
  7. Si aucune vague ne se forme lorsque la goutte glisse sur le bain, augmenter légèrement le flux d’air.
  8. Filmer la trajectoire de la goutte à la caméra (paramètre utilisé : 105 images par seconde).

Traitement d’images (Images J)

Une fois la vidéo enregistrée, isoler le fragment de la vidéo concernant une seule goutte et où la vague est visible. La vidéo est d’abord traitée sous image J avant d’être exploitée sous Matlab.

  1. Importer la vidéo comme une séquence d’image.
    File —> Import —> Image Sequence…
  2. Enlever le bruit de fond et faire ressortir la goutte sur l’image :
    Process —> Subtract Background
    Process —> Find Edges
    Image —> Look out tables —> Invert
  3. Sélectionner une ligne parcourue par la goutte au cours du temps. On peut alors obtenir un tracé de la position de la goutte en fonction du temps.
    Image —> Stack —> Reslice
  4. Ne conserver que la trajectoire de la goutte, et supprimer les autres pixels (bruit). Puis binariser l’image, et enregistrer dans un fichier la position des pixels restants.
    Image —> Adjust —> Threshold —> Make Binary
    Skeletonize
    Save XY coordinates (Background value : 0)

Après traitement des images, on dispose d’un fichier .txt, constitué des positions des différents pixels qui représentent la goutte pour une image donnée en fonction du temps.

Légende :
a. Figure obtenue après le Reslice (Image J) : en abscisse, on trouve les positions des pixels qui constituent la goutte, et en ordonnée, le numéro de l’image associée.
b.Extrait du fichier .txt obtenu après le traitement d’image. La première colonne correspond à la position du pixel, la seconde au numéro de l’image correspondante. La troisième colonne correspond au niveau de gris du pixel, soit 255 car on ne conserve que les pixels noirs pour définir la trajectoire de la goutte.

Traitement numérique (Matlab)

Un algorithme a été conçu pour tracer la position, la vitesse et l’accélération de la goutte à partir du fichier .txt obtenu après le traitement d’images.

L’algorithme est composé de plusieurs parties :

  1. Il faut commencer par moyenner tous les pixels qui constituent la goutte à un instant donné, c’est-à-dire tous les pixels noirs d’une même ligne horizontale de pixels sur la figure du reslice. On calcule donc une position moyenne de la goutte à chaque instant.
  2. On calcule ensuite la vitesse de la goutte, puis l’accélération.

Quand il y a plusieurs fichiers à considérer, l’algorithme va calculer la position, la vitesse et l’accélérations moyennes des gouttes pour chaque instant, et les barres d’erreurs associées.
Comme chaque goutte se forme et glisse sur le bain avec la même vitesse initiale, on considère que la trajectoire et la vitesse des gouttes ont toujours la même évolution. On cherche donc, pour chaque goutte, l’instant tmax où la vitesse est maximale : tmax nous sert alors de référence pour recaler toutes les courbes de vitesse et en faire la moyenne.

En sortie de l’algorithme, on obtient 4 graphiques (présentés en annexe) :

  1. la trajectoire de la (des) goutte(s) en fonction du temps,
  2. la vitesse en fonction du temps,
  3. l’accélération en fonction du temps,
  4. la décélération en fonction de la vitesse.

L’intégralité de l’algorithme est disponible en annexe sur le fichier PSEfinal.m

Remarques

  • Il est possible de réaliser l’expérience avec une huile moins coûteuse que celle utilisée ici. Il faut utiliser un fluide de densité plus grande que celle de l’eau.
  • Le phénomène étudié est assez bref, de l’ordre de 1 sec. Une caméra plus rapide pourrait être utilisée pour étudier la goutte.
  • Il est possible de réaliser l’expérience pour des diamètres de gouttes différents.

Nous tenons également à remercier l’ensemble de l’équipe encadrante des PSE !

Bibliographie

  • M. Le Merrer, Christophe Clanet, Wave drag on foating bodies, PNAS, 2011.
  • E. Raphaël, P.- G. de Gennes, Capillary gravity waves caused by a moving disturbance : wave resistance, Phys. Rev. E 53,3448 ,1996.
  • R. Savino, Marangoni flotation of liquid droplets, J. Fluid Mech. vol. 479 pp 307-326, 2003.

Annexes

TraitementNumérique

Protocoles&Methodes

Stroboscopie & Tube fluorescent – Mesure de temps de vie de fluorescence

Voici la première version de notre vidéo explicative

Voici le documents expliquant le matériel utilisé pour réaliser le montage et les méthodes utilisées matériel et méthode

Ci-après des pdf contenant les 3 programmes composant le logiciel « clés en main » :
analyse
fenetre
script_final

Robots Aléatoires Autonomes

Vidéo du projet :

Fiches matériels & méthodes :
Matériels et Méthode
Annexe_programmes

Matrice extracellulaire

<a

Lien vers les protocoles
PSE_protocole_matrice

Vol du planeur infini

Avez-vous​ déjà fait voler un avion en papier ? Avez-vous​ réussi à le maintenir en l’air plus de 5 minutes ? Notre groupe de PSE s’est d’abord intéressé à des vidéos YouTube où l’on voyait de nombreuses personnes réussir à garder l’avion en l’air indéfiniment. Nous avons compris qu’il s’agissait d’un phénomène de vol de pente, très utilisé par le passé pour le parapente. Voici donc notre étude du phénomène :

Lien vers le protocole d’étude de la stabilité de l’avion en soufflerie :
protocole_pse
Lien vers le protocole de détermination l’angle d’incidence optimal de vol de notre planeur :
protocole-balance-aérodynamique

Réseaux de neurones

Lien vers la vidéo:
https://www.youtube.com/watch?v=vPalMCuQmIQ

Lien vers Matériel et Méthodes:
MatérielMethodes_PSENeurones

Membranes et médicaments

Lien pour télécharger notre vidéo

Et voilà le fichier « Matériel & Méthodes »:
Matériel & Méthodes

Effet plasmonique de nanoparticules d’or en matrice polymère

Plissements sous compression


Protocole général

    • Installation de la bicouche sur l’étireuse 1D
      – fabrication de la base
      – dépôt de la membrane sur la base
      – étirement de l’ensemble
      – réticulation de la membrane
    • Installation de l’appareil photo au dessus du montage
    • Relâchement progressif de l’étirement
    • Application de rayons de courbure

Les photos sont traîtées sous imageJ afin d’en extraire les longueurs d’onde des plis (outil “plot profil”), ainsi que l’épaisseur de la membrane.


Protocole détaillé

Etireuse 1D

L’étireuse utilisée est constituée d’une structure carrée en aluminium. Des pinces plates sont fixées de part et d’autre de la structure. Ces pinces peuvent être déplacées de façon indépendante. Ce déplacement unidirectionnel est contrôlé par des vis micrométriques.
Une pince est formée de deux plaques de plexiglas face à face, dont l’éloignement est contrôlée par des vis simples. Afin d’adoucir le contact entre les pinces et l’échantillon, des mords en PVS “Elite Double 32” sont ajoutés. Les coins des mords sont arrondis (chanfrein) pour diminuer le risque de rupture de l’échantillon à leur contact.

Montage

Obtention de la base molle de PDMS

La base molle est constituée de PDMS Sylgard 527. Les quantités choisies ici permettent l’obtention de 3 échantillons adaptés au dispositif d’étirement 1D.

  • Ajouter dans un bécher 55g de la Partie A du PDMS 527 (polymère visqueux non réticulé), puis 55g de Partie B du PDMS 527 (agent réticulant)
  • Agiter pendant 10 minutes
  • Verser dans une boîte de pétri carrée de 12×12 cm2, sur une épaisseur d’environ 1cm
  • Placer la boîte au dessiccateur pendant 30 minutes jusqu’à élimination totale des bulles d’air
  • Placer la boîte à l’étuve à 80°C pendant 2h. On obtient un PDMS réticulé de module d’Young de l’ordre de 10-20 kPa.
  • Utiliser une presse et des emporte-pièces de type éprouvette pour essais de traction. Découper ainsi 3 échantillons dans le PDMS précédemment obtenu.

Pour obtenir plus d’échantillons, les quantités de PDMS peuvent être modifiées tant que le rapport en masse Partie A / Partie B vaut 1. L’épaisseur de la base doit rester de l’ordre du cm.

Obtention de la membrane supérieure de PVS

La membrane est constituée de PVS “Elite Double 32”. Les quantités sont choisies ici pour un échantillon adapté au dispositif d’étirement 1D.

  • Ajouter dans un bécher 2g de PVS 32, puis 2g d’agent réticulant pour PVS 32
  • Agiter pendant 1 minute.
    Les étapes suivantes devront être effectuées rapidement car le mélange réticule très vite.
  • Déposer une goutte du mélange obtenu au centre d’un échantillon de PDMS 527 obtenu précédemment
    Placer cet échantillon au Spin-Coater (vitesse : 500 tours/min, accélération : 50 tours/s2)
  • On obtient une fine couche de PVS sur la base de PDMS, qui ne doit pas être réticulée à ce stade.

Etirement de l’échantillon : précontrainte de la base

Cette étape doit être réalisée rapidement : la membrane supérieure ne doit pas être réticulée avant que la base ne soit étirée.

  • Placer l’échantillon sur le dispositif d’étirement 1D.
  • Etirer l’échantillon pour une déformation de la base d’environ 50%.
  • Laisser réticuler la couche supérieure pendant 20 minutes

Montage

Relâchement de l’échantillon : contrainte de la membrane

Cette étape se fait une fois que la membrane supérieure est totalement réticulée.
A l’aide des vis micrométriques de l’étireuse, l’étirement est progressivement relâché. Cela provoque la mise sous contrainte de la membrane, et le repos de la base.

Des photos sont réalisées tout le long de la relâche de l’étirement afin d’étudier l’évolution des rides avec le taux de compression. Les photos sont des vues du dessus de la bicouche.

Application de rayons de courbure

La bicouche est placée dans des cylindres de rayons décroissants: 15, 9.3, 8.5, 7.4, 6.5 et 3.8 cm.
Si l’échantillon ne rentre pas dans un cylindre, il peut être coupé dans sa largeur, hors de la zone recouverte de la membrane.

Les photos réalisées sont des vues de profil de la bicouche.

Montage


Materiel

  • PDMS (Polydiméthylsiloxane) Sylgard 527 : kit de 2 kg (Prix HT 155€), fournisseur Neyco
  • PVS (polyvinylsiloxane) Elite Double 32 : kit de 2 kg (Prix HT 100€), fournisseur Zhermack
  • Vis micrométrique : Prix TTC ~120€
  • Appareil photo : (Prix TTC ~800€), fournisseur Nikon
  • Logiciel de traitement d’ImageJ : libre de droit

Projet Mos(kit)o – Equipe iGEM Pasteur 2016

Pour plus d’informations, vous pouvez consulter notre site web : http://2016.igem.org/Team:Pasteur_Paris