Добірка наукової літератури з теми "Micro-Instabilités"

Tous les organismes sont constitués de cellules. Cellule animale et cellule végétale se distinguent par quelques caractères qui ont des implications importantes sur la structure et le fonctionnement de l'organisme entier. Ainsi, le vivant offre une richesse de systèmes physiques, physico-chimiques et mécaniques aux propriétés originales, dont les mécanismes de base restent à élucider. En effet, il existe aujourd'hui une grande diversité d'objets mous, déformables, formés d'une membrane fermée plongée dans un fluide : les vésicules, les capsules, les globules rouges. . . Ces objets mous, en suspension, ont la capacité de changer leurs formes quand elles sont soumises à des forces externes. Parmi les objets déformables usuels, on peut regrouper des objets biologiques (comme les globules rouges) ou artificiels (comme les capsules) ou biomimétiques (comme les vésicules). Chacun possède des caractéristiques élastiques propres, permettant de répondre aux multiples demandes de l'ingénierie dans les domaines de la cosmétique, l'agroalimentaire, la pharmacie, la biologie etc. La compréhension du comportement mécanique de ces objets est donc un point essentiel. En particulier leur comportement quand elles sont en suspension libre dans un écoulement de cisaillement ou circulant dans un conduit étroit tel un pore micro-fluidique. Trois déformations élémentaires permettent de décrire la mécanique de la membrane : (i) le cisaillement (qui garde la surface de la membrane conservée), (ii) Extension ou compression (qui peut induire une variation de la surface membranaire, souvent très faible) et (iii) Flexion. Lorsque la membrane n'est pas tendue, elle dispose d'un réservoir important de surface, ce que lui permet d'adopter des formes très variées […] L'objectif de cette thèse est de réaliser une modélisation analytique d'interaction fluide-structure, encore très mal connue, permettant de décrire le mouvement et les grandes déformations d'un objet mou (capsule non-sphérique, vésicules), en écoulement dans un fluide externe (un écoulement Poiseuille ou cisaillement par exemple). Cette étude nous permettra de comprendre la déformation des globules rouges dans des vaisseaux sanguins. Il existe plusieurs différences mécaniques entre un globule rouge et une vésicule. Par exemple : la rigidité membranaire indiquée par le module de courbure, le module de cisaillement qui est nul dans le cas de la vésicule mais défini dans le cas de globule rouge. Cependant, le modèle de vésicule peut aider à la compréhension d’écoulement sanguin. Il en va ainsi pour les capsules non-sphériques. En effet, dans le cas de capsules non-sphériques, la membrane est soumise à des efforts de compression lors de leurs mouvements dans un écoulement de cisaillement. Ces particules sont également en compression lors de l'inversion de courbure qu'elles subissent quand elles s'écoulent dans des canaux de section comparable à leur taille. L'évaluation de ces contraintes dans la membrane est difficile à faire avec précision et demeure un grand challenge à relever

La plupart des digues sont constituées de matériaux granulaires compactés. Elles sont ainsi perméables et constamment soumises à des écoulements d’eau dans leur volume. Dans certaines conditions, ces écoulements peuvent altérer leur microstructure par érosion interne et générer des instabilités mécaniques responsables de ruptures inopinées lors de crues. Cette thèse s’intéresse à l’analyse multi-échelle des instabilités mécaniques dans les matériaux granulaires soumis à l'érosion interne. Dans ce travail, le comportement mécanique de ces matériaux est simulé en 3D à l’échelle de volumes élémentaires représentatifs, et ce, pour différents états de contraintes et gradients hydrauliques. Grâce à l’utilisation du critère du travail du second ordre et d’outils micromécaniques, leur stabilité est analysée avant et après l’application d’un écoulement interne. Il est établi que l’origine micro-inertielle des instabilités observées provient du déconfinement et de la flexion des chaînes de force ainsi que des déformations plastiques importantes résultant de leur effondrement. Par leur capacité à enrayer rapidement le développement de telles déformations plastiques, il est montré que les particules libres contribuent à assurer la stabilité mécanique des matériaux granulaires. Ce résultat est fondamental pour analyser les conséquences de l’érosion interne en termes de stabilité mécanique car les particules libres sont facilement transportables sous l’action d’un écoulement interne. Selon si elles sont colmatées ou érodées, un écoulement interne aura un effet stabilisateur ou déstabilisateur vis-à-vis du comportement mécanique des matériaux granulaires soumis à l’érosion interne
Dikes are most of the time built of compacted granular materials that are permeable and continuously subjected to internal fluid flows. In some cases, microstructure modifications resulting from internal erosion generate mechanical instability that will lead to unexpected failures in case of serious flooding. This thesis focuses on multi-scale analysis of mechanical instability in granular materials subjected to internal erosion. In this work, the mechanical behavior of such materials is simulated in three dimensions at the scale of representative elementary volumes subjected to different stress states and hydraulic gradients. Thanks to the use of the second order work criterion and micromechanical tools, the mechanical stability of these materials is tested before and after internal erosion. It is established that the micro-inertial origin of the observed instabilities is linked to force chain deconfinement and bending as well as to the development of large plastic strains resulting from force chain collapse. By preventing the development of such plastic strains, it is shown that rattlers contribute to ensure the mechanical stability of granular materials. This key finding is of a particular significance in relation with internal erosion as rattlers can be easily transported under the action of an internal fluid flow. Depending on whether they get clogged or eroded, an internal fluid flow has thus either a stabilizing or a destabilizing effect on the mechanical behavior of granular materials subjected to internal erosion

Ce travail explore expérimentalement en géométrie microfluidique, des instabilités sous champ de fluides magnétiques aqueux, aux propriétés bien caractérisées et dont les nanoparticules sont stabilisées électrostatiquement.La micro-convexion magnétique observée à l'interface miscible entre le fluide magnétique et l'eau est étudiée quantitativement dans une cellule de Hele-Shaw sous champ magnétique homogène, en particulier par vélocimétrie par image de particules. Les résultats sont comparés aux prédictions théoriques et à des simulations numériques. Au delà de la caractérisation des champs critiques, il est observé qu'une augmentation du champ H accélère la croissance des doigts, comme H2, tandis que la figure de digitation n'est pas modifiée. Une application au mélange en microfluidique est ici envisagée. L'étude de la micro-convexion a révélé une diffusion effective de coefficient beaucoup plus grand que celui des nanoparticules, tel que prédit par la formule de Stockes-Einstein ou obtenu par des mesures directes. Des explorations expérimentales montrent que cette diffusion effective provient d'un écoulement lié à la différence de densité des deux fluides. La diffusion semble influencée par les agents qui stabilisent les nanoparticules. Des gouttes de liquide magnétique concentré co-existant avec une phase diluée sont obtenues par séparation de phase induite par ajout de sel et/ou application d'un champ magnétique. Leur déformation sous champ permet de suivre l'évolution temporelle de la phase concentrée métastable. Dans un champ magnétique précessant à l'angle magique, les gouttes se comportent comme en champ tournant, sauf en ce qui concerne leur déformation initiale
Magnetic field induced instabilities of magnetic fluids in microfluidic environment are investigated experimentally. Electrically stabilized water-based magnetic nanocolloids are used and throughout characterized.Magnetic micro-convection, observed at a miscible magnetic fluid-water interface in a Hele-Shaw cell in homogeneous field, is studied quantitatively and compared with theoretical predictions and numerical simulations, micro-convective flows being characterized by particle image velocimetry. Besides the critical field determination, it is shown that an increase of the magnetic field H speeds up the finger growth, which scales as H2, while the size of the fingering pattern is not changed. An application towards mixing enhancement in microfluidics is considered.The micro-convection study reveals a much larger effective diffusion coefficient of the nanoparticles than expected from Stokes - Einstein relation and standard determinations. Investigations with the same setup and with continuous microfluidics show that the effective diffusion mostly arises from a flow induced by the density difference between the miscible fluids. Additionally, the diffusion coefficient seems to be influenced by the particle stabilizing agents.Drops of a concentrated magnetic phase in co-existence with a dilute one are formed by phase separation after salt addition to the magnetic fluid and/or the application of a magnetic field. Their under-field shape deformations allow investigating the time evolution of the concentrated phase. Experiments show that in a precessing field at magic angle, the drops behave as in a rotating field except the initial shape deformation before quick elongation

Les propulseurs plasmiques de type Hall possèdent des caractéristiques fonctionnelles qui répondent particulièrement bien aux besoins en propulsion des nouvelles générations de satellites. Le fonctionnement de ces propulseurs est basé sur la création et l'accélération d'un plasma de xénon dans une décharge en champs croisés E x B. Dans le cadre d'un groupement de recherche constitué du CNRS, du CNES, de la SNECMA et de l'ONERA, un effort particulier est porté pour améliorer la compréhension des mécanismes physiques qui gère le fonctionnement de ces propulseurs. L'étude expérimentale de la réponse du moteur à des extinctions de courant obtenues avec un interrupteur ultra-rapide a pris une place particulière dans cette thèse. Cette approche a permis d'apporter un nouvel éclairage sur les processus collisionnels de création du plasma et a rendu possible une caractérisation fine du comportement dynamique de la décharge. Le transport des électrons dans la décharge à travers le champ magnétique reste encore un problème ouvert. Des mesures à l'aide d'antennes large-bande ont permis d'observer la corrélation entre le développement d'instabilités haute fréquence (6 MHz) et une augmentation macroscopique du courant. Ces mesures mettent en évidence l'existence d'un transport turbulent des électrons dans la décharge.

On s'intéresse dans cette thèse au pseudo-spectre d'une classe particulière d'opérateurs non auto-adjoints. Plus précisément, on étudie les propriétés microlocales régissant les phénomènes de stabilité ou d'instabilité spectrale qui apparaissent sous l'effet de petites perturbations pour les opérateurs différentiels définis en quantification de Weyl par des symboles quadratiques elliptiques à valeurs complexes. Nous établissons dans ce manuscript une condition nécessaire et suffisante simple portant sur le symbole de Weyl de tels opérateurs, qui assure la stabilité de leurs spectres. Lorsque cette condition est violée, nous démontrons qu'il se développe de très fortes instabilités spectrales pour les hautes énergies de ces opérateurs dans des régions -- qui peuvent être très éloignées de leurs spectres -- dont nous donnons une description géométrique précise. Pour mettre en évidence de telles instabilités spectrales, nous sommes amenés à étudier et à établir certaines conditions géométriques assurant l'existence de quasi-modes semi-classiques pour des opérateurs pseudo-différentiels généraux.

L'introduction de diélectriques de forte permittivité dit « High-Κ » peut faire apparaître des comportements jusqu'ici négligeables. C'est le cas du phénomène de relaxation diélectrique. Ce mémoire traite de l'étude de ce phénomène dans les capacités Métal-Isolant-Métal intégrés en microélectronique. Au travers de plusieurs diélectriques amorphes et d'un diélectrique ferroélectrique, deux comportements sont identifiés, le comportement de « flat loss » et celui de polarisation d'électrode. Comme la relaxation diélectrique peut dégrader les performances de certains circuits, une modélisation a été proposée grâce à la réalisation d'un circuit de mesure de l'effet mémoire. Puis l'étude détaillée du comportement du diélectrique Ta2O5, aussi bien en terme de stabilité de courant qu'en terme de variation de permittivité dans les basses fréquences, permettra de mettre en évidence la migration de lacunes d'oxygène dans le diélectrique. Finalement, deux solutions sont proposées afin de réduire le phénomène de relaxation diélectrique tout en obtenant de bonnes performances électriques. La première consiste à déposer des stacks diélectrique basés sur les performances du Ta2O5. La seconde propose l'intégration d'un nouveau diélectrique, l'oxyde de Zirconium.

Dans ce mémoire de thèse, je rapporte les résultats des études réalisées durant ces trois dernières années à l'Institut Non Linéaire de Nice. D'une part, je présente nos expériences de miroir de rétro-action conduisant à la formation spontanée de patterns dans la section transversale d'un faisceau laser (pompe) traversant le centre d'un nuage d'atomes froids de 87Rb et rétro-réfléchi par un miroir placé à une distance du nuage. Dans ces expériences nous discernons trois types de mécanismes de nonlinéarités : la nonlinéarité de spin qui est liée au pompage Zeeman, la nonlinéarité électronique existant pour un atome à deux niveaux et la nonlinéarité opto-mécanique qui est liée à la force dipolaire. Ces mécanismes dépendant des paramètres du MOT et de la pompe (intensité, désaccord, durée) sont étudiés séparément en jouant sur ces paramètres. Ces études expérimentales sont comparées avec des résultats obtenus avec des modèles théoriques. D'autre part, je présente nos observation concernant la densité d'état intégrée et les la densité d'états locale des bandes d'un quasi-cristal bidimensionnel. Dans cette expérience réalisée au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, nous avons réalisé des quasi-cristaux en disposant des résonateurs diélectriques agissant dans le domaine micro-onde sur des pavages de Penrose 2D. Un modèle numérique prenant en compte les paramètres expérimentaux est utilisé pour comparer les résultats obtenus
First, I present our feedback experiment leading to the spontaneous formation of patterns in the cross section of a laser beam passing through a cloud of cold 87Rb atoms and retroreflected by a mirror. In these experiments we were able to identify three mechanisms of nonlinearity: the spin nonlinearity associated with the Zeeman degrees of freedom, the electronic nonlinearity due to the saturation of a two-level atom and the optomechanical nonlinearity due to the spatial bunching of atoms by the dipole force. The instabilities corresponding to each nonlinear mechanism occurs in different range of the experimental parameters and can be selected and studied independently. The experimental observations are compared with various theoretical models. In the second part of the thesis, I present our study of the integrated density of states (IDOS) and the local density of states (LDOS) of the bands of a two-dimensional quasicrystal. In an experiment conducted at Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC), we realized quasicrystals by disposing dielectric resonators operating in the microwave regime on 2D Penrose tiling. A numerical model including experimental parameters is used to compare to the experimental findings

Lorsqu’un matériau solide est soumis à un chargement dynamique (par l’impact d’un projectile, la détonation d’un explosif ou l’irradiation par un laser intense), il se forme une onde de choc, qui se propage dans le matériau depuis la surface chargée. Si cette onde débouche sur une surface libre comportant des défauts géométriques tels que des rugosités, des rayures ou des cavités, son interaction avec ces défauts conduit à l’éjection, sous forme de jets de matière, de débris dont la taille caractéristique est de l’ordre du micromètre et dont la vitesse est typiquement de quelques km/s. La maîtrise de ce processus, appelé microjetting ou micro-éjection, est essentielle pour de nombreuses applications (conception de blindage, découpe pyrotechnique, usinage à très haute vitesse, expériences de Fusion par Confinement Inertiel…). Dans le cadre de cette thèse, menée en collaboration avec le centre CEA de Bruyères-le-Châtel, ce phénomène est étudié dans quatre métaux (Aluminium, Etain, Cuivre et Plomb) à partir de rainures calibrées de deux types : triangulaires isolées de demi-angles d’ouverture contrôlés (20°, 30° et 45°) ou sinusoïdales périodiques. Les influences du matériau, de la forme et de l’ouverture des défauts, de la pression de choc et de l’état du milieu (solide ou fondu sous choc ou en détente) sur les propriétés balistiques des éjectas (vitesses de jet, distribution en taille et densité surfacique des débris constituant les jets) sont évaluées via trois approches complémentaires : expérimentale, théorique et numérique.L’étude expérimentale comporte plusieurs campagnes de chocs laser, effectuées sur l’installation LULI2000 du Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (Ecole Polytechnique, Palaiseau), avec plusieurs techniques de diagnostic : Ombroscopie Transverse, Vélocimétrie Hétérodyne, radiographie X rapide in-situ, récupération d’éjectas dans des gels (analysés ensuite en microtomographie). Les résultats sont confrontés à des prédictions théoriques (hydrodynamique des chocs obliques et des charges creuses pour les rainures triangulaires, instabilités de Richtmyer-Meshkov pour les rainures sinusoïdales). Enfin, les simulations numériques réalisées avec le code Radioss utilisent deux approches complémentaires : les Eléments Finis Lagrangiens et la formulation SPH (Smoothed Particles Hydrodynamics), encore très peu appliquée au microjetting, plus empirique que la première mais mieux adaptée aux grandes déformations dans les jets et permettant d’accéder à des distributions de tailles de fragments
When a dense material is subjected to a dynamic load (such as projectile impact, explosive detonation or irradiation by a high energy laser beam), a shock wave propagates from the loaded surface. If this shock wave interacts with a free surface with geometrical defects such as grooves, scratches or cavities, it can lead to the ejection of micrometric debris with typical velocities of a few km/s. Understanding this microjetting process is a key issue for many applications, including shielding design, pyrotechnics, high-speed machining and Inertial Confinement Fusion experiments.In this work in collaboration with the CEA-DIF at Bruyères-le-Châtel, this phenomenon is studied under laser-driven shock loading in four materials (Aluminum, Tin, Copper and Lead) with calibrated grooves of two types: isolated triangular profile with controlled aperture half-angles (20°, 30° and 45°) or periodic sinusoidal shape. The influences of the material, of the geometry of the defects, of the shock pressure and of the state of matter (solid or melted under shock or release wave) on the ballistic properties of the ejecta (jet velocity, size distribution and areal mass of the debris constituting the jet) are investigated with three complementary approaches: experimental, theoretical and numerical.The experimental study involves several campaigns performed at the LULI2000 facility of the Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (Ecole Polytechnique, Palaiseau) and complementary diagnostic techniques: Transverse Shadowgraphy, Heterodyne Velocimetry, fast in situ X-ray radiography, recovery of the ejecta in a gel followed by microtomography. The results are compared with theoretical predictions (2D shocks and shaped charges hydrodynamics for the triangular grooves, Richtmyer-Meshkov Instabilities for the sinusoidal grooves). Then, numerical simulations are performed with the Radioss code with two complementary approaches: the Lagrangian Finite Elements and the SPH (Smoothed Particles Hydrodynamics) formulation, still very scarcely applied to microjetting, more empirical than the first approach but more suitable to the high strains in the jets and allowing access to size distributions of the debris

Ce travail porte sur l’étude numérique et expérimentale d’un écoulement de Couette-Taylor dans une géométrie à surfaces rugueuses, afin de détecter l’effet de la rugosité sur les instabilités hydrodynamiques. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de simulation numérique (CFD) 3D dans le cas d’un écoulement de Couette-Taylor sans débit axial, mais en utilisant plusieurs types de rugosités de surfaces : rugosité isotrope (micro-rugosité), rugosité anisotrope (macro-rugosité), variation de l’amplitude ainsi que le type de la macro-rugosité. Les résultats obtenus montrent bien l’effet de cette rugosité sur la restructuration de l’écoulement et le développement des instabilités hydrodynmiques. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à l’étude expérimentale des écoulements de Couette-Taylor-Poiseuille avec et sans débit axial en utilisant deux protocols (direct et inverse). En effet, la superposition d’un écoulement axial (Poiseuille) avec un écoulement de Couette-Taylor, peut avoir un effet important sur la réorganisation de l’hydrodynamique de base déjà connue et constituée de cellules de Taylor. Par conséquent, la présence d’un écoulement axial peut générer la formation de vortex ou leur brisure ou disparition, et peut déplacer ces derniers (vortex ou cellules de Taylor) dans la même direction ou la direction inverse de l’écoulement axial imposé. Expérimentalement, nous avons commencé par une étude qualitative en visualisant les instabilités hydrodynamiques grâce à des particules de kalliroscope. Par la suite, une étude quantitative utilisant la PIV et la polarographie a été effectuée afin de caractériser les régimes d’écoulement des premières instabilités (TVF, WVF, MWVF et TN) en présence ou non d’un débit axial. La méthode polarographique, au moyen de sondes simples circulaires, a été alors utilisée pour quantifier le gradient pariétal de vitesse local et instanané. La PIV a permis d’étudier les régimes WVF, MWVF et turbulent. Différents critères de détection de tourbillons (la vorticité ω et le critère Q) ont été alors développés et utilisés pour bien identifier les structures tourbillonnaires
This work deals with a numerical and experimental study of the Couette-Taylor flow where the geometry contains rough surfaces, in order to detect the effect of these irregularities on the hydrodynamic instabilities. Firstly, we carried out a 3D mumerical simulation study (CFD) in the case of a Couette-Taylor flow without axial flow, but using several types of surface roughness: isotropic roughness (micro-roughness), anisotropic roughness (macro-roughness) and variation of the amplitude as well as the type of macro-roughness. The obtained results clearly show the effect of this roughness on the reorganization of the flow and the development of the hydrodynamic instabilities. Secondly, we were interested to carry out an experimental study of Couette-Taylor-Poiseuille flows, with and without axial flow by using two protocols (direct and reverse). Indeed, the superposition of an axial flow (Poiseuille) with a Couette-Taylor flow can have a significant effect on the reorganization of the basic and already known hydrodynamic instabilities, constituted by Taylor cells. Therefore, the presence of an axial flow can generate the development of vortices or their breakup or disappearance, and can move the Taylor vortices in the same direction or the opposite direction of the imposed axial flow. Experimentally, we started with a qualitative study by visualizing the hydrodynamic instabilities thanks to kalliroscope particles. Thereafter, a quantitative study using PIV and polarography was carried out in order to characterize the flow regimes of the first instabilities (TVF, WVF, MWVF and TN) with or without axial flow. The polarographic method, using simple circular probes, was then used to quantify the local and instantaneous wall shear stress. The PIV allowed to study the WVF, MWVF and turbulent regimes. Different vortices’ detection criteria (vorticity ω and Q criterion) were then developed and used to correctly identify the turbulent structures

Les phénomènes de micro-instabilité et de multi-stabilité jouent un rôle clé dans divers systèmes mécaniques et physiques, tant artificiels que biologiques. Leur compréhension fait donc l'objet d'un vaste champ d'études, avec de nombreuses applications pratiques et théoriques. La modélisation de l'effet de la température sur les micro-instabilités, apparaissant dans différents phénomènes artificiels et biologiques, permet la validation de la mécanique statistique pour les petits systèmes, par la comparaison avec les données expérimentales obtenues à l'aide de la spectroscopie de force et d'essais micromécaniques, fournissant ainsi des informations utiles sur les réponses induites par les forces ou les allongements appliqués. Ces analyses sont particulièrement importantes pour l'étude de tous les systèmes qui présentent deux (ou plus) états métastables, tels que les processus d'adhésion/déadhésion, les transformations de phase (pliage/dépliage et phénomènes pseudo-élastiques) et la propagation des fissures et des fractures dans les systèmes à l'échelle nano- et micro-métriqe. À titre d'exemple, la température influence fortement les caractéristiques de transformation de phase des nanofils pseudo-élastiques utilisés comme actionneurs et capteurs en nanotechnologie, ou modifie les propriétés d'adhésion des cellules métastatiques dans les processus d'invasion du cancer. La réponse force-extension ou contrainte-déformation est l'une des principales caractéristiques utiles pour comprendre les effets des micro-instabilités et, pour l'obtenir analytiquement, il faut évaluer la fonction de partition du système, qui est l'outil essentiel de la mécanique statistique. Par conséquent, la forme complexe de l'énergie potentielle du problème étudié est approximée en utilisant la technique des variables de spin, ce qui permet d'obtenir une quantité discrète capable d'identifier les différents puits d'énergie potentielle. La première partie de cette thèse traite de l'état de l'art, des problèmes ouverts, des motivations et de la description des méthodologies adoptées. La partie suivante montre comment différents phénomènes physiques peuvent être étudiés par la même approche de modélisation
Micro-instability and multi-stability phenomena play a key role in various mechanical and physical systems, both artificial and biological. As such, their understanding is addressed in a wide field of studies, with many practical and theoretical applications. The modeling of the temperature effect on micro-instabilities, appearing in different artificial and biological phenomena, allows the validation of the statistical mechanics for small systems, through the comparison with experimental data obtained using force spectroscopy and micromechanical testing, thus providing useful insights on the responses induced by applied forces or elongations. These analyses are particularly important in the study of all the systems that present two (or more) metastable states such as the adhesion/deadhesion processes, the phase transformations (e.g. the folding/unfolding and pseudo-elastic phenomena), and the cracks and fractures propagation in nano- and micro-scale systems. For example, the temperature strongly influences the phase transformation features of pseudo-elastic nanowires used as actuators and sensors in nanotechnology or modifies the adhesion properties of metastatic cells in cancer invasion processes. The force-extension or stress-strain response is one of the main useful features to understand the effects of micro-instabilities and, in order to be analytically obtained, one needs to evaluate the system partition function, which is the essential tool of statistical mechanics. Hence, the complex potential energy landscape of the problem under investigation is approximated using the spin variables technique, introducing a discrete quantity able to identify the different potential energy wells. The first part of this thesis addresses the state of the art, the open problems, the motivations, and the description of the adopted methodologies. The following part shows how commonly different physical phenomena can be studied by the same modeling approach