Collective dynamics of self-propelled particles : waves, vortex, swarm, braiding

Résumé : L'émergence de mouvements cohérents à grande échelle a été abondamment observée dans les populations animales (nuées d'oiseaux, bancs de poissons, essaims de bactéries...) et plus récemment au sein de systèmes artificiels. De tels ensembles d'individus auto-propulsés, susceptibles d'aligner leurs vitesses, présentent des propriétés physiques singulières. Cette thèse théorique étudie divers aspects de ces systèmes actifs polaires.Dans un premier temps, nous avons modélisé une population de colloïdes auto-propulsés. En étroite association avec les travaux expérimentaux, nous avons décrit la dynamique du niveau individuel à l'échelle macroscopique. Les résultats théoriques expliquent l'émergence et la structure de motifs cohérents : (i) transition vers le mouvement collectif, (ii) propagation de structures spatiales polarisées, (iii) amortissement des fluctuations de densité dans un liquide polaire, (iv) vortex hétérogène dans des géométries confinées.D'un point de vue plus fondamental, nous avons ensuite étudié les excitations non linéaires qui se propagent dans les systèmes actifs polaires. L'analyse des théories hydrodynamiques de la matière active, à l'aide d'outils issus des systèmes dynamiques, a permis de rationaliser les observations expérimentales et numériques reportées jusqu'ici.Enfin, nous avons proposé une approche complémentaire pour caractériser les populations actives. Associant étude numérique et résultats analytiques, nous avons étudié les propriétés géométriques des trajectoires individuelles, ainsi que leur enchevêtrement au sein de groupes tridimensionnels. Ces observables pourraient permettre de sonder efficacement la dynamique de populations animales.
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Thèse
Other [cond-mat.other]. Ecole normale supérieure de lyon - ENS LYON, 2015. English. 〈NNT : 2015ENSL0996〉
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Soumis le : jeudi 2 juillet 2015 - 16:17:44
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Jean-Baptiste Caussin. Collective dynamics of self-propelled particles : waves, vortex, swarm, braiding. Other [cond-mat.other]. Ecole normale supérieure de lyon - ENS LYON, 2015. English. 〈NNT : 2015ENSL0996〉. 〈tel-01170988〉

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