Mettre en oeuvre un retour d'effort pour un système robotique dédié à la chirurgie mini-invasive impose d'adresser deux difficultés principales. La première est d'ordre métrologique, puisqu'il est technologiquement très difficile de procéder à une mesure directe de l'interaction distale à l'intérieur du patient, tout en respectant les contraintes de stérilité et d'encombrement. La seconde concerne le contrôle d'interactions dont la géométrie et la dynamique sont fortement variables et mal connues (contacts avec des organes, le chirurgien, ou d'autres instruments) dans un contexte particulier où la contrainte cinématique induite par le passage des instruments par un point fixe ne permet pas l'asservissement de toutes les composantes du torseur d'interaction.<br />La réponse apportée à ces questions prend ici la forme d'un système robotique bâti autour :<br />- d'un bras compact de cinématique sphérique ;<br />- d'un capteur d'efforts placé à l'extérieur du patient permettant une estimation fine des interactions distales ;<br />- d'une commande en effort dont la passivité est garantie pour toutes les interactions ; celle-ci est déclinée selon plusieurs modes (retour explicite, commande en impédance, téléopération à retour d'efforts).<br /><br />L'ensemble des propositions méthodologiques est validé de façon systématique sur un prototype de laboratoire développé dans le cadre de ce travail. Les expériences incluent des validations in vivo sur animal, depuis des tâches élémentaires jusqu'à l'utilisation du prototype comme "main gauche" pour une opération de cholécystectomie.

Les moteurs fusées sont des milieux confinés où la combustion a lieu dans des conditions extrêmes. Des instabilités de combustion peuvent se déclencher à haute-fréquence ; elles sont liées aux modes acoustiques de la chambre de combustion. Une chambre de recherche commune, CRC, permet d'étudier la réponse d'une flamme diphasique et turbulente aux oscillations acoustiques de faibles ou fortes amplitudes. La chambre est caractérisée à froid pour obtenir, notamment, le coefficient d'amortissement relatif des oscillations acoustiques. La structure et la fréquence des modes sont déterminées dans le cas où la chambre est couplée avec une cavité latérale. L'utilisation d'un canon à poudre, lors de l'étude de la réponse une excitation acoustique forcée de forte amplitude, nous a dirigés vers des flammes plus courtes. Les injecteurs ont été modifiés pour mener l'étude du niveau du bruit de combustion en fonction des conditions d'injection. La vitesse du gaz détermine si les flammes sont accrochées ou décrochées. Le niveau de bruit des flammes décrochées est plus élevé. Celui des flammes accrochées est proportionnel au nombre de Weber. Les flammes courtes, de longueur inférieure au rayon de la CRC, condition nécessaire pour obtenir un couplage efficace, sont les plus sensibles aux perturbations acoustiques. L'utilisation d'une roue dentée différentes positions dans la chambre a permis d'obtenir des renseignements sur l'origine du couplage thermo-acoustique dans la CRC, objectif principal de cette thèse. La flamme est sensible aux oscillations acoustiques de pression, avec un temps de réponse qui est quasi-nul. Ces observations suggèrent que dans les conditions de la CRC, nous observons essentiellement la réponse de la cinétique chimique aux oscillations de pression.

L'atomisation d'un liquide par l'intermédiaire d'une nappe est un phénomène fréquemment rencontré dans la nature ainsi que dans un contexte industriel tel que la formation de sprays de combustibles dans les moteurs. Cette étude expérimentale vise à rendre compte des mécanismes de brisure des lames liquides. Deux régimes de nappes sont ici considérés.<br /><br />Le premier correspond à un état stable pour lequel la nappe reste plane. Cet état est étudié à l'aide d'un dispositif formant des nappes par collision de jets cylindriques. Un couplage entre des modulations d'épaisseur de la nappe et la déstabilisation capillaire du bord libre conduisant à la formation des gouttes est mis en évidence. Ces modulations d'épaisseur sont dues aux conditions d'injection et pilotent la fragmentation de la nappe. <br /><br />Lorsque la vitesse d'écoulement dans la nappe est augmentée, une instabilité de cisaillement avec l'air se développe et la nappe se met à battre tel un drapeau. Ce second régime est étudié à partir d'une nappe formée par la collision normale d'un jet rond sur un cylindre solide pouvant osciller verticalement. Les caractéristiques des ondes générées par l'oscillation du point d'impact (vitesse, amplitude,...) sont correctement prédites par une analyse linéaire. Les ondulations de la surface imposent une accélération transitoire au liquide. Cette situation est instable au sens de Rayleigh-Taylor et conduit à des modulations d'épaisseur transverses à l'écoulement. La modification du champ d'épaisseur conditionne la morphologie du bord libre qui est constitué d'indentations à l'extrémité desquelles des ligaments sont formés et se brisent en gouttes. Un modèle incluant le développement des deux instabilités permet de rendre compte de la caractérisation de la fragmentation de la nappe (lieu de brisure, vitesse et taille des gouttes). Enfin, d'autres situations expérimentales mettant en jeu des accélérations et des modulations d'épaisseur sur des nappes liquides sont également envisagées.

L'extrusion est un procédé de mise en forme très répandu dans des industries variées telles que la plasturgie, la métallurgie, les céramiques, ou encore l'industrie agroalimentaire. Les matériaux doivent cependant être soumis à des niveaux de pression et de contrainte élevés pour être extrudés à des débits suffisants.<br />La présente thèse a pour objectif de mieux connaître l'influence des paramètres de pression et contrainte sur les propriétés des polymères et la stabilité de leurs écoulements, et ce en relation avec leur structure mésoscopique.<br />Les effets de la pression ont été étudiés sur quatre polyéthylènes (PE) de structures différentes. D'abord, les conditions expérimentales précises ont été définies pour isoler les effets de la pression des effets de la température et pour différencier les écoulements stables ou instables. Nos résultats montrent que les effets de la pression sont les mêmes en cisaillement et en élongation, sauf pour l'un des PE où ils sont 30% supérieurs en cisaillement. En outre, c'est un critère de contrainte critique qui caractérise l'apparitions des instabilités viscoélastiques quelle que soit la pression moyenne.<br />Dans la deuxième partie de cette thèse, trois copolymères de la famille des SEBS montrant une séparation de phase aux échelles nanoscopiques ont été considérés. L'étude des défauts macroscopiques d'extrusion, et de la propagation de fissures surfaciques, de ces copolymères à blocs a permis d'identifier l'origine du défaut dit de « refente d'extrudat » ainsi qu'un nouveau régime d'extrusion : le « pelage continu ». Ces défauts ont été mis en relation avec la structure mésoscopique par des essais de diffusion de rayons-X aux petits angles.

Ce présent travail de thèse porte sur l'étude de gouttelettes liquides mouillantes posées sur un substrat solide lorsqu'un autre phénomène se couple à l'étalement spontané. <br /><br />La première partie, qui constitue l'essentiel du manuscrit, traite du couplage entre étalement et évaporation lorsque le liquide considéré est volatil. Des expériences, datant de plus de dix ans, ont été réalisées par R.D. Deegan avec de l'eau pure s'évaporant sur du mica fraîchement clivé. La dynamique de rétraction apparaissait alors sensiblement différente d'une théorie simple basée sur la physique des aérosols. Sachant que l'eau est un liquide très complexe et que le mica est une surface ionisée, nous avons choisi de reprendre cette étude en utilisant des liquides plus conventionnels (type alcanes volatils) et des substrats dont on sait qu'ils n'ont aucune interaction spécifique avec les liquides utilisés (pastilles de silicium). Ceci afin de vérifier si cette différence était due au système particulier eau/mica ou était caractéristique de l'évaporation d'un liquide en présence d'une surface totalement mouillante. Nos résultats montrent que la dynamique de rétraction du système alcane/silicium est en parfait accord avec la théorie précédemment citée. Nous avons complété cette étude en réalisant des expériences d'évaporation d'eau sur ces mêmes pastilles de silicium (traitées pour être hydrophiles). On observe alors un comportement proche du système eau/mica, ce qui montre que le choix du substrat n'est pas à l'origine du problème. En parallèle à cette étude expérimentale, nous avons également mené une étude plus théorique en considérant des effets tels que la pression de disjonction à l'échelle mésoscopique. Ceci nous a permis d'élargir le modèle théorique existant afin de rendre compte qualitativement du comportement spécifique de l'eau sur un substrat hydrophile.<br /><br />La seconde partie traite du couplage entre étalement et élasticité nématique dans le cas de gouttes de cristaux liquides. Cette élasticité nématique est due à la présence d'un ancrage antagoniste aux interfaces du cristal liquide. Sur des substrats hydrophiles, le taux d'humidité de l'atmosphère apparaît comme un paramètre pertinent puisqu'il pilote les différentes instabilités apparaissant à la ligne de contact. Les lois d'étalement macroscopiques apparaissent également très anormales par comparaison avec les liquides usuels. Sur substrat hydrophobe, les instabilités ne se développent plus à la ligne de contact. Cependant, les lois d'étalement restent anormales. Cette étude fournit les bases nécessaires pour entreprendre une analyse théorique précise.

La combustion en mode pauvre prémélangé permet de réduire les émissions polluantes, mais elle est limitée par l'apparition de fortes instabilités. Afin d'étudier ces instabilités, nous avons conçu une chambre de combustion proche d'une configuration industrielle fonctionnant au gaz naturel. La chambre, pressurisée à 5 bar, est munie de deux dispositifs d'injection d'air: air secondaire et air de dilution. Le prémélange est créé par un injecteur constitué d'un swirl axial et d'un bluff body.<br />L'étude de l'instabilité a été effectuée en fonction de plusieurs paramètres: température d'entrée d'air, débit, richesse de combustion, angle du swirl, présence d'une flamme pilote, position des orifices d'injection d'air secondaire et géométrie du fond de chambre. Pour chaque configuration nous avons mesuré le champ de vitesse, les émissions polluantes, l'émission spontanée du radical CH* et l'évolution temporelle de la pression dans la chambre de combustion. Le résultat principal montre que les injections d'air secondaire jouent un rôle important et complexe dans les chambres de combustion notamment sur la structure et la dynamique de la flamme.<br />Les spectres temporels de pression et de CH* ont montré plusieurs fluctuations temporelles de la combustion que nous avons classées en trois categories: <br />- Les fluctuations basses fréquences dues aux instabilités de combustion<br />- Les fluctuations convectives dont les fréquences ne dépendent que de la vitesse de l'écoulement<br />- Les fluctuations acoustiques dont les fréquences ne dépendent que de la température de l'écoulement<br />L'étude locale des émissions de CH* montre que les positions des maximums de fluctuations se situent à des emplacements différents dans la zone de réaction suivant le régime de combustion. Nous avons adapté localement le modèle du temps de retard (time lag) qui permet de connaître les conditions favorables d'amplification d'une perturbation convective. Les résultats montrent que nous pouvons prédire la position et l'intensité des fluctuations convectives dans la zone réactive en fonction de la température d'entré ou de la puissance de l'installation. Toutefois, ce modèle trouve ses limites lorsque l'interaction de l'air de dilution secondaire devient trop importante avec la zone de réaction.

On s'intéresse à la rupture associée à deux classes de phénomènes naturels, les séismes et les instabilités gravitaires. Pour les séismes, on étudie un modèle stochastique de sismicité, basé sur les deux lois les mieux établies pour la sismicité, la décroissance en loi de puissance du taux de sismicité après un séisme, et la distribution en loi de puissance des énergies des séismes. Dans ce modèle, on suppose que chaque séisme déclenche d'autres séismes, dont le nombre augmente avec l'énergie du choc principal. Le taux de sismicité global résulte de la cascade de déclenchements de séismes directs et indirects. On analyse l'organisation spatiale et temporelle de la sismicité dans les différents régimes sous- et sur-critiques du modèle. Ce modèle permet de reproduire un grand nombre de propriétés de l'activité sismique, telles que la variabilité de la décroissance des séquences d'aftershocks, l'augmentation de l'activité sismique avant un séisme, la diffusion des aftershocks, la migration des foreshocks et la modification de la distribution des magnitudes avant un séisme. On obtient avec ce modèle une bonne prédictabilité d'une fraction des séismes qui sont déclenchés à court terme après un grand séisme. Nos résultats démontrent le rôle essentiel des cascades de déclenchement de séismes a toutes les échelles dans l'organisation de l'activité sismique. Concernant l'étude des instabilités gravitaires, une étude statistique de plusieurs catalogues d'éboulements rocheux montre que la distribution des volumes de roches suit une loi de puissance. On propose que cette distribution en loi de puissance résulte soit de l'hétérogénéité initiale de la matrice rocheuse, soit de la dynamique d'un système critique auto-organisé. Certains glissements de terrains sont précédés par une accélération de la vitesse de glissement avant la rupture finale. On peut reproduire l'évolution temporelle du glissement a l'aide d'un modèle de bloc rigide avec une loi de friction dépendante de la vitesse de glissement et de l'état de contact entre le bloc et sa surface de glissement. L'analyse de deux glissements de terrains avec ce modèle permet de distinguer une accélération du glissement dans le régime stable, d'une accélération instable qui évolue vers une rupture catastrophique.

Un ferrofluide est une solution colloïdale stable de particules magnétiques, de taille de l'ordre de 100 Angstroms, dans un liquide porteur. Lorsqu'une couche de ferrofluide est soumise à un champ magnétique uniforme et vertical, une instabilité interfaciale se développe au dessus d'une valeur critique du champ. La surface libre, initialement plane, se hérisse de pics disposés selon un réseau hexagonal. Si l'on augmente encore le champ magnétique, le réseau hexagonal se transforme progressivement en réseau carré, au dessus d'une second seuil. Nous nous sommes particulièrement intéressés à la phénoménologie de la transition hexagones-carrés. Nous avons montré que les défauts penta-hepta, présents dans le réseau hexagonal, agissent comme des centres de nucléation de la transition et que les caractéristiques de la phase carrée y sont contenues. Ensuite, nous présentons les résultats de sélection de nombre d'onde par variation quasistatique et brutale du champ magnétique. La comparaison des résultats obtenus nous permet de montrer que le réseau carré est un état métastable induit par compression du réseau hexagonal, lorsqu'on augmente le champ. Ce fait est vérifié à l'aide d'une expérience supplémentaire, durant laquelle nous comprimons mécaniquement le réseau hexagonal et induisons la transition à champ constant et inférieur au seuil de la transition.

Cette étude traite de la convection thermique présente dans toute sa diversité dans les systèmes géophysiques. Celle-ci est par exemple présente dans les différentes enveloppes internes de la Terre. En effet, le système "Terre" fait intervenir, en plus d'une convection purement thermique, un ou plusieurs ingrédients supplémentaires. Dans le noyau, la solidification de la graine libère des éléments légers et entretient une convection thermo-solutale. Les mouvements de convection prennent alors une forme particulière due à la rotation de la Terre. L'instabilité de marées pourrait également perturber ces mouvements. Dans le manteau, c'est sans doute une convection impliquant des fluides de propriétés différentes qui a lieu. Enfin, lors de la formation de la Terre, des gouttelettes de fer ont sédimenté dans un écoulement convectif formé de matériau moins dense. C'est donc au sens le plus large qu'il faut prendre le mot "hétérogène" du titre. Dans cette étude, la convection hétérogène désigne la convection thermique à laquelle vient s'ajouter un ou plusieurs ingrédients.

Les fibres optiques sont très utilisées en télécommunication. L'étude du procédé de fabrication de ces fibres de verre est très importante compte tenu des qualités de transmission que l'on veut obtenir. Cette étude présente la modélisation du procédé de fabrication des fibres de verre. Un premier modèle 1D est le support d'une analyse de stabilité linéaire. Celle-ci permet de prédire l'apparition d'instabilités hydrodynamiques au cours du fibrage. Nous montrerons l'influence des conditions de fabrication sur la stabilité du procédé. Un second modèle, 3D celui-ci, permet de faire de la simulation directe grâce au logiciel Rem3D développé au CEMEF. Du fait des forts taux d'étirage imposés à la fibre, les variations de diamètre sont très importantes donc l'utilisation de l'adaptation de maillage est indispensable à l'obtention de résultats exploitables. Nous présentons dans cette thèse la méthode d'adaptation de maillage utilisée dans le code et les avantages de son utilisation. Les difficultés de la simulation sont d'une part que le matériau est multicouche ce qui a été pris en compte dans ce travail. D'autre part, les propriétés thermiques du verre font intervenir des termes de rayonnement dans l'enceinte de four qui sont particulièrement difficiles à modéliser. Les résultats présentés prennent en compte un coefficient d'échange thermique équivalent basé sur des relevés expérimentaux.