Le sable en physique

« qui les contiennent.

Ils ont tendance à former des voûtes qui peuvent parfois se ramifier en de complexes toiles d'araignées.

Elles sont fragiles et apparaissent et s'effondrent à volonté selon les circonstances.

Ainsi, l'écoulement d'un sablier est en fait intermittent.

Si la force de frottement avec les parois est suffisante, elle empêche même les grains de glisser et bloque l'écoulement.

Un problème délicat qui se pose dans les silos à grains.

La gravitation qui devrait entraîner les grains vers le bas les pousse en fait vers les parois .

C'est l'effet de voûte.

Pourtant, les blocages ne se produisent pas plus facilement quand le sable est bien tassé.

!:écoulement dépend de la manière dont il a été tassé .

Ainsi , de brefs coups donnés sous une colonne de grains produisent une accélération dirigée vers le haut.

Les forces de frottement mises en action s'opposent au mouvement et sont donc dirigées vers le bas du tube , favorisant l'écoulement tout comme des coups donnés sur le côté.

En revanche, tasser en portant des coups sur le dessus pousse au blocage .

POUDRES FINES ET DUNES Ainsi, lorsque l'on étudie des poudres fines, on ne peut plus négliger l'influence de l'air environnant.

Et on observe des phénomènes inédits.

Des coups réguliers donnés sous une couche relativement épaisse de poudre fine font apparaître une structure formée de monts et de vallées.

À chaque choc, un geyser de poudre est éjecté au sommet des parties les plus hautes.

Après un certain nombre de chocs, le relief ne varie plus .

La surface ridée est plus stable que ne l'était la surface plane.

La formation de ces reliefs est due à l'interaction entre les grains et l'air qui s'engouffre dans le vide laissé par la poudre lorsqu'elle s'élève sous l'effet d'un choc.

!:air entraîne ainsi les particules situées à la base du monticule .

En retombant , la couche comprime l'air qui emporte vers le haut les particules situées à l'intérieur du cône.

C'est l 'effet volcan.

Si la surf11ce ridée est plus stable qu'une surface plane, c'est que sur le flanc d'une colline, un grain de sable supporte en plus de son poid s, celui des grains au-dessus de lui.

Les comportements de la matière granulaire s 'éloignent de ceux des liquides mais si la couche poudreuse de départ est suffisamment fine, les petits coups portés vont conduire à la formation de petits tas coniques, semblables à des gouttelettes.

Pour l'eau qui n'aime pas le contact de l'air, la sphère est la figure qui présente la surface minimale pour le volume maximal.

Dans le cas des couches de sable, c'est l'aspiration des particules sous le petit volcan qui à chaque choc tend à recréer la forme conique.

Ainsi le vent peut aisément façonner des p11ys11ges sablonneux.

Et l'apparition ou la métamorphose d'une dune peuvent avoir lieu en l'espace de quelques jours seulement.

Sur la pente qui fait face au vent, des grains de sable sont arrachés à la base et conduits jusqu 'à la crête.

Ils s 'entassent, à l'abri du vent , juste derrière le sommet , jusqu 'à ce que la masse accumulée provoque une petite avalanche .

Le sable progresse ainsi vers le versant abrité et la dune avance lentement, dans le sens du vent.

A tel point que certains chercheurs pensent que les plus grandes d'entres elles gardent la trace des régimes de vent au fil des années.

Le vent peut aussi avoir un effet plus surprenant sur les dunes .

Dans leurs récits de voyages, Marco Polo et Charles Darwin décrivent d'étrange s phénomènes .

Pendant quelques minutes, ils ont entendu des sons sourds , intenses et puissants.

Une musique qui provient en fait des dunes de sable et plus précisément des avalanches qui se déclenchent sur leurs faces abritées.

C'est le bruit des grains de sables qui roulent les uns sur les autres.

Les avalanches mobilisent un grand nombre de grains qui, s'ils se déplacent de manière synchrone émettent une puissante onde sonore.

On parle de chant des dunes .

Mais toutes les dunes ne chantent pas.

Cela tient à la nature du sable.

Il faut que les grains soient recouverts de vernis, glacés comme une céramique.

IBJ.\il.jf.l@IQ Le phénomène des avalanches est aussi répandu que dangereu x.

Le plus grand risque provient sans doute du fait que de faibles perturbations -le son d'une voix ou le décollement d'une pierre - suffisent à déclencher des avalanches.

C'est l'une des caractéristiques des milieux granulaires.

Pour améliorer leur connaissance du phénomène , les physiciens observent un insecte des plus ingénieux , le fourmilion.

Pour piéger ses proies , l'animal creuse une sorte d'entonnoir.

!:inclinaison de ses parois est choisie de façon à ce que, si un insecte s'aventure sur cette surface instable, elle se dérobe sous ses pattes entraînant l'insecte au fond du trou.

Les parois de l'entonnoir sont inclinées suivant une pente particulièrement fragile , un peu comme un terrain proche de subir une avalanche.

Les scientifiques ont ainsi pu vérifier que l'angle que fait une paroi granulaire avec l'horizon tale ne peut pas dépasser une certaine valeur appelée angle maximum d'ava lanche.

Une fois que l'avalanche a eu lieu, la paroi forme un nouvel angle avec l 'horizontal, l'angle de repos.

Dans le cas d'un cratère fermé , l'avalanche est plus difficile à déclencher.

Les grains peuvent s'accumuler sur la partie inférieure provoquant une onde remontante qui diminue l'angle du tas de sable avec l'horizontale.

D'autre part, l 'angle d'ava lanche d 'un matériau formé en cratère est différent de celui d'un cône du même matériau .

Il est aussi plus grand pour des grains de formes anguleuses que pour des grains de formes sphériques .

Au cours d'une avalanche, l'empilement de matériaux granulaires va évoluer de telle manière qu'il se retrouve spontanément dans un nouvel état critique .

!:angle reste toujours proche de l'angle d'avalanche.

Le système« s 'auto-organise » vers un état critique .

Une propriété ennuyeuse pour les montagnards mais avantageuse pour le fourmilion .

Son piège se retend automatiquement après avoir fonctionné .

Il est régénéré dès qu'un insecte s'est fait entraîné par l'avalanche précédente au fond du trou.

I!WMMŒJI Mélanger des matériaux granulaire s réserve bien des surpri ses.

La première concerne le volume obtenu qui ne correspond pas à la somme des volumes des matériaux mélangé s.

Brasser de gros grains avec des petits tend à faire disparaître les vides interst itiels et donc à diminuer le volume total de près de 20% .

Le béton est un exemple de matériau qui a pu bénéficier de ces propriétés.

Le gravier étant bien plus résistant que le ciment qui ne sert qu'à coller l'ensemble, l'idéal serait de minimiser la quantité de ciment à employer .

Ainsi on réalise aujourd'hui des béton s très solides en mélangeant des graviers de tailles différentes.

On va même jusqu ' à utiliser de la fumée de silice composée de particules de taille bien inférieure au micron.

Autre question posée par les mélanges , celle de la préparation d'explosifs .

Les matériaux granulaires n'aiment pas se mélanger et cela pose des problèmes délicats , notamment dans le domaine de l'aérospatial.

Ainsi, les fusées sont propul sées par des mélanges complexes de particules solides dont la combustion produit la poussée nécessaire à arracher la fusée du sol.

Or, il est très difficile de produire des mélan ges réellement parfaits et cela coûte très cher .

Le problème se pose aussi dans l'industrie pharmaceutique ou agroalimentaire , dans la chimie, les matériaux de construction ..

.

Il est difficile de réaliser des mélanges intime s dans lesquels chaque particule serait entourée de particules d'un autre type.

!:agitation d'un mélange de grains fins et de billes plus grosses montre que ces dernières ont tendance à se retrouver à la surface.

Des grains de tailles ou de formes différentes préfèrent se disposer en couches alternées plutôt que de se mélanger.

Les physiciens ont baptisé le phénomène « ségrégation granulaire » et sont incapables d'en fournir une réelle explication.

Concernant le phénomène de ségrégation par vibration, ils proposent toutefois un début de réponse.

!:agitation crée un vide sous chaque grosse bille, vide dans lequel s'engouffrent rapidement les plus petites .

Les grosses billes finissent ainsi par remonter .

Mais, elles pourraient aussi être entraînées par un mouvement de convection d'ensemble.

Une fois en haut , elles devraient redescendre , mais leur taille les empêche de pouvoir se frayer un chemin .

La ségréga tion par avalanche , de son côté, ne conduit à la stratification que si les composants coulent suffisamment lentement pour que des avalanches distinctes se produisent.

Au départ, le mélange est en fait dans une situat ion d'instabilité.

Il préfère être en bandes alternées que mélangé .

Au cours de son évolution, le système s'auto-organise.

I!Jhi!Uhf\11 forme une zone qui s'assèche très rapidement.

Le sable mouillé se comporte à l'inverse d'une éponge: quand on le presse, l'eau s'arrête de couler ! Car, contrairement à la majorité des objets qui nous entourent et selon le principe de « dilatance » d'Osborne Reynolds, le volume occupé par le sable augmente lorsqu 'il est déformé.

Le sable est composé de particules solides mais aussi d'espaces lacunaires .

C'est le volume des interstice s qui va varier.

Un édifice bien ordonné occupe un espace minimum parce que le volume des interstices est réduit.

Les gravats d 'un édifice détruit occupent plus de place que l'édifice construit.

En pressant du sable imbibé d'eau, on augmente donc le volume des espaces interstitiels .

Ceux-ci absorbent toute l'eau de surface l'entraînant vers l'intérieur .

Le sable s'assèche et retient l'eau.

Quand on relâche la pression , l'eau est libérée .

Si les scientifiques étudient la physique du« tas de sable», c'est que derrière ces p hénomènes se cachent des enjeux de taille.

Et en premier lieu, des enjeux environnementaux car une grande majo rité de notre planète est constituée de matière granulaire .

Avalanches, éboulements, tremblements de terre.

Mieux comprendre le comportement des granulaires permettrait d'éviter bien des catastrophes .

Moins spectaculaire mais tout aussi fâcheux , les dunes sont sensibles aux caprices du vent et peuv ent menacer d'ensablement rout es et habitations .

Pratiquement tous les secteurs de la production industrielle sont concernés par le s problèmes posés par la matière granulaire.

Le génie civil pour les matériaux de construction , l'industrie des poudres et des céramiques, l'ing énierie militaire, l'agro-a limen taire, l'aéronautique ...

Les trois quarts des objets manufacturés ont été au moins une fois à un stade de leur fabrication sous la forme de poudre ou de grains .

Longtemps considérée comme une mati ère à faible valeur ajoutée , la mati ère granulaire a aujourd'hui évolué vers les produits high-tech .

De quoi mot iver et financer des travaux de rech erche visant à améliorer les proc édés et réaliser d 'importantes économies.

Concernant les mélanges , les industriels se fondent sur ce que nou s faisons lorsque nous mélangeons du sucre dans un yaourt.

Plutôt qu'une cuillère, ils plongent deux vis d'Archiméde convection en même temps que le récipient tourne sur lui-même pour donner un mouvement de rotation d'ensemble .

Autre solution , utiliser un tube incliné dans lequel la matière va s'écouler .

En heurtant le fond, les grains rebondisse nt vers le haut.

Il en résulte une convection localisée qui va progressivement remonter le long du tube .

Dans l'industrie pharmaceutique , les pilules dont la durée de vie est limitée à cause de la digestion pourraient bientôt être remplacées par des poudres adhérentes et très fines pulvérisées dans les fosses nasales .

Celles-ci se distilleront très lentement améliorant l'efficacité des médicaments.. »