Est ce que les gouttes d’eau d’une chute d’eau sont en chute libre ?

[PASSEtudiant]

La question est dans le titre, on parle bien evidemment de chute libre au sens physique du terme
-----

[Resartus]

Bonjour,

Qu'entendez-vous exactement par "chute libre"?

Bien évidemment, les gouttes d'eau sont soumises à la pesanteur, mais elles ne sont pas dans le vide et subissent la résistance de l'air : elles atteignent donc une vitesse limite par rapport à l'air, et cette vitesse limite dépend de leur rayon. Mais il y a plusieurs subtilités par rapport à des gouttes isolées :
1) la vitesse limite augmentant avec le rayon, les gouttes les plus grosses tombent plus vite.
2) Si la densité de gouttes est suffisante, l'air qui les entoure est entrainé vers le bas, surtout vers le milieu de la chute. En outre, elles sont "protégées" par celles d'en dessous. Ces deux phénomènes font que les gouttes les plus au milieu tombent plus vite. Elles vont finir par rattraper celles qui sont en dessous et parfois fusionner avec elles
3) Après collision ces gouttes fusionnées tomberont encore plus vite, mais à cette vitesse accrue, ces plus grosses gouttes sont instables, et elles se rescinder en deux. Au total, la taille maximale des gouttes ne peut pas dépasser une certaine valeur (environ 6mm de diamètre)
Tous ces phénomènes ne sont pas faciles à modéliser

On peut noter au passage que le processus de création des gouttes à partir de la chute d'eau est également assez complexe. Comme la vitesse augmente, la section latérale du jet d'eau va diminuer, et à un certain moment, à cause de la tension superficielle, il devient énergétiquement plus intéressant que le jet éclate en gouttes, car cela correspondra à une surface réduite. La taille des gouttes obtenues dans cette première phase peut varier dans des proportions assez importantes.

[RomVi]

Bonjour

1) la vitesse limite augmentant avec le rayon, les gouttes les plus grosses tombent plus vite.

C'est ce l'on pourrait penser intuitivement, mais ce n'est pas toujours vrai car la forme de la goutte dépend de la taille ; le Cx n'est pas toujours celui d'une sphère. De plus certaines gouttes tombent plus rapidement que leur vitesse terminale, sans que personne ne sache vraiment pourquoi.

[obi76]

Plus les gouttes sont petites, plus le ratio forces de frottement / poids devient grand, et plus on s'écarte de la chute libre.

De plus certaines gouttes tombent plus rapidement que leur vitesse terminale, sans que personne ne sache vraiment pourquoi.

A priori c'est dû au fait qu'elles sont dans le sillage d'autres, ce qui explique leur vitesse plus grande.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Amanuensis]

Et celles qui montent ?

Collisions (1) ? Effet thermique (évaporation qui chauffe l'air, ou même frottements aérodynamiques) ?

(1) avec paroi ; parce qu'entre les gouttes difficile d'imaginer un choc élastique...

[obi76]

Et celles qui montent ?

Collisions ? Effet thermique (évaporation qui chauffe l'air) ?

Si elles sont suffisamment petites et que l'air monte (ce qui parait logique à certains endroits, l'air entraîné créant un rouleau), alors elles montront.
La collision de grosses structures liquides avec la surface libre peut aussi en créer qui iront vers le haut...

Plein de phénomènes différents (compliqué à écrire, un schéma serait plus pratique...)

EDIT après EDIT : collision paroi / liquide ou collision liquide / liquide, les deux peuvent aboutir à la même observation...

[RomVi]

Plus les gouttes sont petites, plus le ratio forces de frottement / poids devient grand, et plus on s'écarte de la chute libre.

Justement non, il y a une discontinuité de la vitesse terminale en fonction de la taille, car les grosse gouttes forment une structure qui ressemble à une lentille de contact, procurant un Cx nettement plus important que celui d'une sphère.

A priori c'est dû au fait qu'elles sont dans le sillage d'autres, ce qui explique leur vitesse plus grande.

A priori ce n'est pas l'explication.
Voir cet article pour plus d'infos : https://www.mtu.edu/news/stories/201...raindrops.html

[obi76]

Justement non, il y a une discontinuité de la vitesse terminale en fonction de la taille, car les grosse gouttes forment une structure qui ressemble à une lentille de contact, procurant un Cx nettement plus important que celui d'une sphère.

Je parle de "suffisamment petites", pour que la tension de surface soit suffisamment grande au regard de leur inertie (i.e. à nombre de Weber < 12) pour les considérer comme sphériques. Pour les grosses structures (We > 12), elles seront assujetties au break-up, donc deviendront plus petites. la distribution terminale est une log-normale avec une coupure à We = 12.

A priori ce n'est pas l'explication.
Voir cet article pour plus d'infos : https://www.mtu.edu/news/stories/201...raindrops.html

C'est en tous cas celle que je (on) retient, lors des 2 dernières publis que l'on a sorti sur le sujet (une pour des gouttes, une pour des bulles où le phénomène apparaît également). Du moins majoritairement.
Pour des Reyholds particulaires plus élevés, une diminution (discontinue) du Cx peut effectivement apparaître lors de la mise en recirculation du fluide en aval des gouttes si celles-ci sont assez grosses.

[RomVi]

est il possible d'avoir un lien vers ces publications ?

[f6bes]

La question est dans le titre, on parle bien evidemment de chute libre au sens physique du terme

Bjr à toi,
Ce qui n'est PAS dans le titre....... BONJOUR
Bon WE

[obi76]

est il possible d'avoir un lien vers ces publications ?

MP envoyé (pour les bulles, pour les gouttes c'est encore sous review)