Etude d'une dynamique à mémoire de chemin : une expérimentation théorique

par Matthieu Labousse

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de John W. M. Bush et de Emmanuel Fort.

Soutenue le 12-12-2014

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Institut Langevin - Ondes et Images - ESPCI ParisTech, CNRS UMR 7587, INSERM U979 (laboratoire) .

Le jury était composé de Thierry Dauxois, Marcel Filoche, Jacques Prost, Frédéric Chevy, Yves Couderc.


  • Résumé

    À l'échelle macroscopique, les ondes et les particules sont des objets distincts. La découverte d'objets appelés marcheurs, constitués d'une goutte rebondissant sur un bain liquide vibré verticalement, a montré qu'il n'en était rien. La goutte est autopropulsée, guidée sur la surface du liquide par l'onde qu'elle a elle-même créée lors des rebonds précédents. Ces objets possèdent une dynamique originale dominée par le concept de mémoire de chemin. La structure du champ d'onde qui guide la goutte dépend, en effet, de la position des rebonds passés disposés le long de la trajectoire. La profondeur de cette mémoire peut, de plus, être contrôlée expérimentalement en changeant l'accélération du bain. De nombreuses réalisations expérimentales ont mis en évidence les comportements dynamiques singuliers de ces systèmes couplés goutte/onde. Cette thèse répond à la nécessité d'une compréhension théorique des effets non locaux en temps introduit par la mémoire de chemin. Pour ce faire, nous étudierons l'évolution d'un marcheur numérique en potentiel harmonique bidimensionnel. Un ensemble relativement restreint de trajectoires stables est obtenu. Nous constaterons que ces dernières sont quantifiées en extension moyenne et en moment angulaire moyen. Nous analyserons comment s'imbriquent les différentes échelles de temps de la dynamique, permettant ainsi de dissocier les termes propulsifs à temps court de l'émergence de structures ondulatoires cohérentes à temps long. Nous verrons en quoi l'expression du caractère non-local d'un marcheur permet d'en révéler les symétries internes et d'assurer la convergence du système dynamique vers un jeu d'états propres de basse dimension.

  • Titre traduit

    Investigation of a path-memory dynamics : a theoretical trial


  • Résumé

    Waves and particles are distinct objects at a macroscopic scale. The existence of walkers, drops bouncing on a vertically vibrated fluid bath is a surprising case of dual objects at our scale. The drop is self-propelled, piloted by the standing surface waves generated by its previous rebounds. These objects exhibit a rich dynamics relying on the concept of path memory. Indeed, the wave field results from the position of the past impacts left all along the walker trajectory. The memory is tunable at will by simply changing the vertical acceleration of the bath. A series of experiments have revealed the surprising dynamical behaviors of this dual drop-wave entity. In this PhD, we give a theoretical understanding of the temporal non local structure of walkers. We explore the dynamics of numerical walkers in a two-dimensional harmonic potential. We observe that the system only reaches a relatively limited set of stable attractors, quantized in both extension and mean angular momentum, in excellent agreement with the experimental results. We investigate how the different time scales are intertwined, which decouples the short-time acting propulsion from the build-up of coherent wave structures at much longer time scales. We analyze the non-local mechanism revealing the internal symmetries of the walker which drives the convergence of the dynamics to a set of low-dimensional eigenstates.


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