29 mai-2 juin 2017 Peyresq (France)

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Cours 1 : Locomotion à bas nombre de Reynolds par Marc Fermigier  

Les microorganismes ont développé au cours de l’évolution des stratégies variées pour se mouvoir dans un monde sans inertie.
En effet leur très petite taille fait que les effets visqueux dominent complètement la dynamique des écoulements à leur échelle. Cela induit des contraintes particulières sur les mécanismes possibles de nage.
Nous ferons une synthèse des différents mécanismes de nage observés ainsi qu’une brève description des moteurs moléculaires mis en jeu.
Nous présenterons les particularités de l’hydrodynamique à petit nombre de Reynolds et nous analyserons plus en détail les efforts sur les objets allongés comme les cils et le flagelles.
Les microorganismes ont inspiré la réalisation de micronageurs et de microtomes que nous décrirons.
Enfin, nous évoquerons les mécanismes d’interaction entre micronageurs et leurs comportements collectifs.
 

Transparents des cours

Cours 1

Cours 2

Cours 3

Cours 2 : Locomotion à grand nombre de Reynolds par Fabien Candelier

Pour modéliser théoriquement les efforts hydrodynamiques qui s'exercent sur un corps élancé animé d'un mouvement propre dans un fluide, et donc typiquement pour étudier la nage des poissons, les modèles qui sont généralement utilisés sont ceux établis par Lighthill aux cours des années 60 (voir par exemple Lighthill 1960 et 1971). Ces modèles, qui s'appuient notamment sur la théorie des écoulements potentiels, sont connus sous les noms d’Elongated-Body Theory (EBT, valable pour les petites déformations du corps) ou encore Large-Amplitude Elongated-Body Theory (LAEBT, une extension aux cas des grandes déformations). En dépit de sa très large utilisation, il se trouve que la LAEBT a fait l'objet, par le passé, de nombreuses controverses car elle s'appuie sur certaines hypothèses, voire certaines heuristiques, pouvant parfois être remises en cause et n'ayant pas été démontrées rigoureusement. Ce cours débutera par une présentation générale de la locomotion à grand nombre de Reynolds. Nous décrirons quelques principes physiques de bases permettant à un corps en mouvement de se déplacer dans son environnement. Le reste de l’intervention se focalisera sur la nage ondulatoire. Après la présentation de certains outils, et de certains concepts nécessaires à la détermination de la force qui s’exerce sur un corps dans le cadre des écoulements potentiels, nous reviendrons sur l’EBT de Lighthill (1960) en nous attardant notamment sur les points durs de la démonstration de cette théorie. Nous verrons ensuite qu’en utilisant une approche similaire à celle employée par Lighthill, mais étendue aux cas des grandes déformations, il est possible de démontrer formellement le bien fondé de la LAEBT. Enfin, nous verrons comment cette dernière théorie peut être étendue afin de tenir compte des effets d'un éventuel écoulement ambiant, et illustrerons ce résultat en nous intéressant à la nage d’un poisson dans une allée de Von-Karman.

Transparents des cours

Introduction

Ecoulements Potentiels 

Elongated Body Theory

Cours 3 : Dispersion des spores, par Agnese Seminara

Sessile living organisms that do not have legs or wings for locomotion, use spores or seeds to disperse across habitats. Living organisms can control spore discharge to the slimmest level of precision, but the fate of their progeny is dramatically affected by a series of stochastic events unknown to the organism. These propagules exist in a startling variety of morphologies, shapes and sizes and they are shot in air through sophisticated physical mechanisms. Spores and seeds are heavy particles and depending on their size, they may be easily transported by the wind or rapidly sediment to the ground. When the progeny sediments right on the parent, probability of survival are low. To guarantee successful dispersal, propagules must cross the boundary layer of stil air surrounding the launching apparatus, and then travel a large enough distance to land in a fresh, potentially suitable habitat. In this course I will first describe what is the problem sessile organisms face, and how they solve it. I will then describe the remarkable variety of shooting mechanisms, with their physical constraints, to illustrate how the particles cross the boundary layer and are transported in air.  I will then conclude by ideas about how organisms face uncertainty.

Cours 4 : Matière active et mouvements collectifs, par Fernando Peruani 

What is active soft-matter? Active soft-matter is a novel area of research at the interface between biology, mathematics, and soft-matter physics that is being developed to understand the physics behind non-equilibrium systems such as bacterial colonies, tissue formation, cancer growth, and more generally, embryogenesis. Active soft-matter has recently witnessed the emergence of a promising new direction: the design and construction of biomimetic, active materials, which are essentially ensembles of artificial active particles. The term “active” refers to the ability of the particles to convert energy into work, typically to self-propelled in a dissipative medium. Think for instance of a bacterium such as Escherichia coli that consumes ATP to rotate the flagella in order to swim in a viscous liquid. 

In this introductory course, we will focus on ensembles (suspensions) of idealized active particles and on their macroscopic properties. In the first course, we will define active soft-matter and understand why active matter systems are intrinsically non-equilibrium systems. Initially, we will focus on non-interacting active particle systems and on the lack of conserved quantities. In the second course, we will review interacting active particle systems, especially velocity-velocity alignment mechanisms and their symmetries. We will also address the various mechanisms that lead – in the context of active particles – to spontaneous self-segregation. In the third and last course, we will see how active soft-matter can help to elucidate a specific biological example: the spatial self-organization of myxobacteria. We will put forward the idea that bacteria can be thought as a non-equilibrium system of self-propelled rods.

Cours 5 : Physique des voiliers et des vagues, par Marc Rabaud

1)   Physique des voiliers : équilibre des forces et des moments. Comment un voilier remonte-t-il le vent ? Pourquoi peut-il aller plus vite que le vent ? Qu’est-ce qui limite les records de vitesse à la voile ? Les récentes innovations des voiliers de course.

2)   Physique des vagues : relation de dispersion des ondes capillaires et de gravité, trajectoire des particules fluides, énergie transportée par les vagues, propagation des ondes en eaux peu profondes.

3)   Sillages des bateaux : description du sillage de vague d’un bateau en déplacement. Force de traînée associée. Cas classique de Kelvin et cas des sillages étroits des bateaux rapides

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