La Physique des tas de sable (Volume 24 n°2 )

Les propriétés physiques des granulaires secs sont assez étonnantes: elles sont, en quelque sorte, à mi-chemin entre celles des fluides et celles des solides. On peut très facilement réaliser chez soi quelques petites expériences qui illustrent bien ces phénomènes. Le meilleur endroit pour cela est certainement la cuisine, pièce qui regorge de matériaux granulaires: sucre, couscous, riz, haricots secs ou noix feront l'affaire! Le seul véritable " danger >> de ces manipulations, c'est de tout renverser par terre ...

Ces expériences très simples ont ceci d'extraordinaire qu'elles dépendent très peu de la nature précise des grains utilisés. Seul importe le caractère granulaire des matériaux. Le riz peut être remplacé par des pois-chiches ou bien du sucre, les observations resteront qualitativement les mêmes.

Donner des explications claires à ces phénomènes tels que la formation d'avalanches, de dunes ou de voûtes, ou bien encore la ségrégation, les décrire avec précision, ou simplement les maîtriser correctement n'est cependant pas une mince affaire! Les chercheurs s'y attèlent depuis plus d'un siècle, mais les progrès dans ce domaine sont lents car ces matériaux rebelles ne se laissent pas enfermer dans des schémas trop simples. L'étude des granulaires relève donc bien de la physique moderne et le nombre des questions encore sans réponse est véritablement immense! L'intérêt des scientifiques est d'autant plus grand que les enjeux derrière les applications de ces études sont potentiellement considérables tant ces matériaux sont présents à tous les niveaux de l'activité humaine.

En retournant ce gros tube en verre à moitié rempli de morceaux de sucre irréguliers, seuls quelques-uns de ces derniers sont tombés jus­ qu'en bas. Les autres sont restés coincés à cause de quatre ou cinq morceaux qui ont décidé qu'ils allaient bloquer tous les autres! Ce n'est pas par pur esprit de contradiction ou parce qu'il ont eu peur de se faire mal en tombant. C'est simplement qu'en s'appuyant les uns sur les autres, ainsi qu'aux parois du tube, ils se sont retrouvés par hasard dans une configuration stable et n'ont plus eu de raison de bouger. Ils forment ainsi une voûte naturelle.

Ce phénomène est caractéristique des matériaux granulaires et cette situation de blocage est particulièrement fréquente lors d'écoulements denses dans les tubes, silos ou trémies. Si cet effet de voûte est bien visible dans ces situations dynamiques, il se manifeste égale­ ment, mais de façon plus discrète et plus subtile, dans les systèmes à l'équilibre statique. Si l'on observe la manière dont les forces se propagent dans un tas de sable, on remarque en effet que la répartition de ces forces est très inhomogène: sur les épaules de certains grains repose l'essentiel du poids du tas, alors que d'autres ne sont pratiquement pas sous contrainte! En d'autres termes, les premiers forment des << lignes privilégiées " dans la propagation des contraintes, des " chemins de force ". La photo du haut de la page sui­ vante montre cette répartition inhomogène des forces dans un empilement bidimensionnel: les grains sont d'autant plus clairs qu'ils sont sous contrainte élevée. Cette photo a été réalisée par l'équipe de Rennes, en utilisant les propriétés photoélastiques de certains matériaux comme le plexiglas.