Milieux granulaires
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ArrangementsLes gros morceaux sont toujours au fond.

Vous avez remarqué que dans un paquet de céréales, les petits morceaux se retrouvent toujours au fond et les grand en haut ?

De manière générale, quand on secoue un tas de grains de tailles différentes, on peut soit obtenir un mélange, soit obtenir une ségrégation (séparation des différentes tailles).

C'est pour cela que les milieux granulaires sont compliqués pour les industriels : le génie des procédés n'obtient pas toujours de résultats impressionnants en terme de rendement pour ces opérations de mélange ou de ségrégation et il se creuse encore la tête.

C'est notre bien connu Faraday qui avait réalisé les premières expériences en faisant vibrer verticalement un tas de grains de tailles différentes mais de même densité. Il avait remarqué qu'au bout d'un moment, toutes les grosses billes se retrouvaient au-dessus des petites.

On appelle encore cela l'" effet noix du Brésil ". Vous pouvez voir une simulation de ce type de ségrégation grâce à ce lien (externe, pop-up, vidéo au format mpg).

Vous pouvez également observer une animation (externe, pop-up, format Flash) de cet effet et de l'importance de l'air dans les phénomènes de convection.

Attention ! L'effet noix du brésil est subtil et on a pas toujours les gros morceaux qui surnagent (voir cette actualité pour le détail)

Le saviez-vous ? : Au passage, précisons que ces noix du Brésil ont pour autre caractéristique originale d'être pas mal radioactives pour un aliment (en raison du terrain ou sont cultivées) au point que l'on déconseille d'en manger trop souvent.

EboulementL'éboulement d'un tas de sable obéit à une loi particulière.

Des chercheurs ont regardé pour quelle pente se produit un éboulement dans un tas de sable.
Il s'avère qu'il y a bien un angle critique ou cela se déclenche. Le sable s'écoule donc à partir de cet angle.

Ce qui est surprenant est que la pente après éboulement est à un angle inférieur (et non pas égal) à l'angle critique de déclenchement de l'éboulement.

On pense bien sur que les frottements entre grains sont responsables de cet effet. Cependant. Des recherches ont montré également que même sans aucune friction entre grains, un talus statique ne s'effondre pas (à condition que le fond soit rugueux quand même) !
La description du sable est entierement dominée par l'image du frottement solide de Coulomb. Or si celui-ci décrit en effet très bien le comportement statique, il ne dit rien sur la transition solide-liquide entre les 2 angles.

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AvalanchesDisons le net : les avalanches sont très complexes à expliciter.

Les avalanches de grains (et de neige) ont un comportement intermittent original : il existe des paquets de grains plutôt immobiles et d'autres paquets en déplacement, un peu comme un arcordéon ou comme…dans un embouteillage…. Les couches glissent les unes sur les autres.

Vous pouvez voir une simulation d'éboulement à ce lien ( externe, pop-up, vidéo au format mpg).

Une autre simulation mais avec explications cette fois : vidéo(pop-up, format Realplayer, en français)

Pour les embouteillages toujours, sachez que physiciens ont proposé des analogies en prenant pour modèle la propagation d'ondes de chocs (lire le dossier sur les fluides sur ce site) dans les matériaux granulaires. Pour plus d'infos sur le modèle granulaire appliqué aux embouteillages, vous pouvez zapper sur ce lien (lien externe, pop-up, en anglais).

Dans tout ce qui est de matériaux composés de grains et différents fluides (air, eau souvent) : avalanches, sables etc., on parle de "fluides coincés". Ils obéissent aux lois des solides au repos et davantage à la mécanique des fluides une fois mis en mouvement.

C'est ce qui fait que les glissements de terrains provoqués par les tremblements de terre sont si dangereux et impressionnant. Des chercheurs vont jusqu'à réaliser toutes sortes d'expériences :

Notons que lors d'une avalanche la ségrégation type "Noix du brésil" se produit : les gros morceaux ont tendance à se retrouver dessus. Cela peut être mis à profit dans des procédés de TRI : en effet, les gros morceaux qui « surnagent » vont aller plus loin durant l'écoulement que les petits morceaux. Et puis c'est tant mieux pour les skieurs pris dans une avalanche qui ont plutôt tendance à rester en haut du flot de neige (tant que la coulée est de type « mélange » en tout cas).

Vous voulez en savoir un peu plus :  pas de chance !

Le problème en effet c'est que l'on tombe rapidement avec une étude plus poussée sur des aspects non-newtoniens (lire le dossier sur la mécanique des fluides sur ce site) et davantage rhéologiques (étude des relations entre les déformations de la matière et les contraintes qu'elle subit).

Depuis que Bagnold, un brigadier britannique qui s'est intéressé au comportement du sable alors qu'il était détaché au Caire, a démontré que le sable en mouvement voit sa viscosité croître proportionnellement à sa vitesse d'écoulement, on se rend compte à quel point une étude poussée est compliquée.

Elle fait l'objet de recherches et la modélisation mathématique devient de plus en plus costaud !

Note : ce même Bagnold a bien aidé les troupes durant la guerre en montrant ainsi qu'il vaut mieux dégonfler un peu les pneus et rouler vite sur le sable ! Le sable a alors un comportement de fluides dits « thixotropes » (à vos souhaits), c.a.d dont la viscosité varie au cours du temps.
Ce type de comportement fera feront l'objet d'un article ultérieur spécifique (Revenez nous voir !)

Vous voulez en savoir davantage ? : allez à la » » » » page suivante