Milieux granulaires
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DunesLe brigadier Bagnold est celui qui initié l'étude de la dynamique des dunes.

C'est bien entendu l'interaction entre le vent et les dunes qui est intéressante et complexe.

De nombreuses équipes de recherche planchent sur le sujet car vous n'êtes pas sans savoir que ces dunes tiennent un rôle important dans l'écologie (on essaie tant bien que mal de protéger nos dunes françaises actuellement, en particulier notre fierté nationale, la plus haute dune d'Europe, j'ai nommé la dune du Pilat en Gironde).

Un phénomène qui a longtemps intrigué depuis Marco Polo est le fameux "chant des dunes", son non pur, en général de basse fréquence (mais il varie), parfois d'une telle intensité qu'il est arrivé qu'on entende ce chant des dunes jusqu'à 10 km de certains "spots" (une trentaine identifiés dans le monde) lorsque se déclenche une avalanche.

Bagnold avait associé les émissions sonores du sable à la dilatance de Reynolds : ce faisant le volume d'air compris entre les grains de sable augmente et diminue alternativement (un effet "accordéon" en somme).

Cette explication a prévalu pendant longtemps pour expliquer le chant des dunes mais elle a été récemment remise en question.

Pour que ce phénomène chantant et envoutant se produise, il faut que le vent ait façonné préalablement la dune pour que cette dernière exhibe une pente égal à ~35° pour du sable sec. La dune est alors instable.

Les études sont difficiles en raison de la relative rareté du phénomène (peu de sables ont la propriété de pouvoir "chanter car ils doivent posséder un dépot particulier en surface)

On essaie tant bien que mal de le reproduire en labo (on peut cependant doucement "faire chanter" certains sables à la main).

On a quand même découvert récemment que ce n'est pas le mouvement des grains de sable qui produit le son du chant des dunes mais qu'il s'agirait (conditionnel car tout n'est pas encore expliqué) d'un phénomène de mouvement synchonisé des grains, voire d'une onde sismique.

Lla résonance pourrait jouer un rôle mais pas dans tout la profondeur de l'écoulement : des oscillations de surface perpendiculaires à la pente, aussi bien dans l'avalanche qu'autour, dans la partie immobile de la dune.

La vibration du sol sableux se comporte comme la membrane d'un haut parleur qui, en ne vibrant qu'à faible amplitude, pourrait émettre un son de 110 dB (équivalent au son émis par le décollage d'un avion).

On voit bien dans cet exemple de dunes que les écoulements de granulaires ne suivent pas exactement ceux d'un fluide : dans ce cas, les grains se roulent les un sur les autres.

Vous pouvez obtenir davantage de détails et carrément écouter ce chant (mais cela rend vraiment moins bien qu'en "live") sur un site spécialisé (lien externe, pop-up).

Sables mouvantsOn ne peut pas couler et on peut s'en sortir ! .

Lorsqu'une personne s'embourbe dans des sables mouvants, le phénomène physique sous-jacent est qu'ils deviennent moins visqueux (de plus en plus fluide en fonction de la vitesse des mouvements) et la personne s'enfonce progressivement.

On peut énoncer ainsi que les sables mouvants ne représentent pas un type spécial de sable, mais un mélange de sable, d'eau, d'argile et d'un peu de sel dans la bonne proportion.

Le saviez-vous ? : Le sel va avoir pour effet d'empêcher l'argile de se recoller facilement au sable une fois que l'équilibre aura été rompu.

Ils relèvent donc des fluides thixotropes comme les avalanches.

 “ Qu'est-ce qui vous arrive encore ?…
  Je ne sais pas, …j'menfonce. ”

Les particules de sable sont si faiblement tassées les unes sur les autres que la surface qui semble apparemment solide cède facilement quand une personne ou un animal la piétine.

Le mélange devient alors subitement moins visqueux.
Le mélange sable-eau-sel possède un telle puissance de "succion" que la force pour extraire son pied peut devenir à celle équivalente à celle qu'il faut pour soulever une voiture ! (à tel point que pour sortir quelqu'un trop brusquement, on pourrait lui arracher un membre).

On précisera également qu'il y a peut-être eu des morts à cause de ces sables mouvants mais c'est probablement dû au fait que les gens étaient coincés alors que la marée montait !

Par ailleurs, de manière plus anecdotique mais gardant toute la fascination intacte : évoquons les sables mouvants secs.

Des légendes circulent sur la disparition de véhicules entiers sur un sable mouvant mais sec cette fois. Des chercheurs ont réussi à reproduire le phénomène en laboratoire : Il faut tout simplement que le sable soit très fin (40 μm).

Les ingénieurs de la NASA avaient peur que ce type de sable soient présent sur la Lune et avaient adaptés de larges patins sur le module lunaire au cas où (mais l'hypothèse s'est avéré fausse).

Enfin, si l'anglais ne vous rebute pas, l'équipe de l'émission Mythbuster s'est attaqué au problème.

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Quelques éléments complémentaires pour parachever votre culture sur les matériaux granulaires.

FrittageC'est une vieille application industrielle des poudres

Elle est cependant encore d'actualité puisqu'on réalise avec des matériaux céramiques (composites).

Dès l'Antiquité en effet, les hommes voulaient construire des alliages avec certains métaux que la technique de l'époque n'arrivait pas à fondre (la température atteinte dans les fours n'était pas suffisante pour atteindre le point de fusion de ces métaux).

Alors, le procédé trouvé consistait à chauffer de la poudre de ces métaux et il s'amalgamait entre eux : les grains forment des ponts entre eux comme cela est illustré sur l'image ci-contre.

Ce qui était intéressant dans le procédé pour nos ancètres est que le « collage » des grains s'effectue à une température inférieure à la température de fusion du même métal.

Ce procédé est donc encore utile de nos jours et il permet même d'obtenir des pièces davantage résistantes que si l'on avait utilisé un moulage de métal fondu  (on pense à certaines pièces utilisées dans le nucléaire), des modèles en 3D de pièces par laser comme pour la stéréolithographie.
Les « frittés » sont très utilisés pour la fabrication de pièces en contact d'avec des pièces mobiles car elles peuvent contenir des lubrifiants en interne dans leurs structures, comme des sortes d'éponges.

Vous pouvez obtenir plus d'infos sur Wikipédia (lien externe, pop-up) wikipédia

Le saviez-vous (1) ? : Le fait que les matériaux poreux peuvent se comporter comme des éponges pourrait grandement aider les recherches sur la diminution de frottements car dans l'air, un tel matériau pourrait créer un coussin d'air. C'est ce principe qu'à utilisé Sheldon Weinbaum pour son idée de train sur coussin d'air sur un matériau similaire aux plumes d'oiseaux (pop-up, en anglais)

Le saviez-vous (2) ? : Par effet Branly, on peut tout à fait réaliser un frittage électrique : le courant électrique agglomère les grains

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Pêle-mêleQuelques précisions avant de terminer.

On a occulté dans cet article certains aspects de recherche.

Citons en premier lieu la propagation des ondes de basses fréquences dans les matériaux granulaires.

Il peut s'agir des bruits de métro ou même du cliché des indiens écoutant les pas des chevaux dans les westerns….

Les plus hautes fréquences par contre sont plutôt dispersées et ralenties par ce type de milieu (en raison de figures d'interférences).

Des recherches sont en cours car notre connaissance du phénomène est encore trop faible ; cela pourrait notablement aider dans la localisation des tremblements de terre.

Citons ensuite la recherche en Astronomie : les anneaux de Saturne peuvent être considérés en bonne approximation comme des amas de « poudre ».

Enfin, pour terminer cette page, quelques vidéos sur les phénomènes curieux qui se passent quand on fait vibrer du sable où qu'un objet tombe.

Une autre vidéo intéressante sur les jets de sable (lâché d'objets).

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