Les milieux granulaires - Entre fluide et solide

Publié par : EDP Sciences

Sable, riz, sucre, neige, ciment…La matière en grains nous est familière et abonde dans nos cuisines, dans la nature et de nombreux procédés industriels. Ce livre scientifique présente les propriétés fondamentales des milieux granulaires, discute les différents comportements solide, liquide et gaz qu'ils peuvent avoir, et aborde les problématique géophysiques du transport de sédiment et de la géomorphologie.


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Cet ouvrage accueille trois de ces explorateurs qui rendent compte en particulier de leurs travaux et font un point actuel des recherches. La question fondamentale à laquelle ce livre entend répondre est la même que celle que posent les enfants devant ces expériences de coin de table souvent bien proches de travaux originaux des physiciens : S'agit-il d'un solide, d'un gaz ou d'un liquide ? La réponse à ces questions fait l'objet des trois chapitres centraux de l'ouvrage pour finalement conclure qu'il s'agit d'un nouvel état de la matière. D'ailleurs, tout au long des présentations qui accompagnent cette question, nous rencontrons les divers paradoxes qui justifient cette conclusion.


Sable, gravier, riz, sucre. . . La matière en grains nous est familière et abonde autour de nous. Pourtant, la physique des milieux granulaires reste mal comprise et continue de fasciner scientifiques et profanes, plus de trois siècles après les travaux fondateurs de Coulomb sur la stabilité des talus. Les milieux granulaires présentent en effet une variété de comportements et de propriétés exceptionnelles. Assez solides pour soutenir le poids d'un immeuble, ils peuvent couler comme de l'eau dans un sablier ou être transportés par le vent pour sculpter les dunes et les déserts. Pendant longtemps, l'étude de la matière en grains est restée l'apanage des ingénieurs et des géologues. Des concepts importants sont ainsi nés de la nécessité de bâtir des ouvrages sur un sol solide, de stocker des grains dans un silo ou de prédire l'histoire d'un sédiment. Depuis une vingtaine d'années, l'étude des milieux granulaires a investi le champ de la physique, à la croisée de la physique statique, de la mécanique et de l'étude des milieux désordonnés. L'alliance entre expériences de laboratoire sur des matériaux modèles, simulations numériques discrètes et approches théoriques issues d'autres domaines de la physique a ainsi contribué à enrichir et renouveler notre compréhension des matériaux granulaires.


C'est dans ce contexte que nous avons écrit cet ouvrage. Notre objectif est d'offrir une introduction à la physique des milieux granulaires qui tienne compte des avancées récentes dans ce domaine, tout en décrivant les outils et concepts de base utiles dans de nombreuses applications industrielles et géophysiques. Ce livre s'adresse essentiellement aux étudiants, aux chercheurs et aux ingénieurs désireux de se familiariser avec les propriétés fondamentales de la matière en grains. Ce faisant, nous privilégierons autant que possible l'approche physique des phénomènes et les raisonnements basés sur l'analyse dimensionnelle plutôt que les longs développements mathématiques. Des encadrés permettront tout au long de l'ouvrage d'ouvrir certaines perspectives et de détailler les calculs les plus compliqués. En ce sens, l'étude des milieux granulaires participe d'une certaine école de la Physique, chère au regretté Pierre-Gilles de Gennes, qui fut un pionnier et un passeur en ce domaine. Armé d'un seau, d'un peu de sable et de quelques observations soigneuses, nous croiserons des domaines aussi variés que l'élasticité, la plasticité, la théorie cinétique, la mécanique des fluides, la rhéologie, les instabilités ou la physique non-linéaire.


On appelle généralement milieu granulaire une collection de particules solides1 macroscopiques, typiquement de taille supérieure à 100 ?m (Brown & Richards, 1970 ; Nedderman, 1992 ; Guyon & Troadec, 1994 ; Duran, 1997 ; Rao & Nott, 2008). Comme nous le verrons dans le chapitre 2, cette limite basse sur la taille des particules correspond en fait au type d'interaction existant entre les grains : nous nous intéresserons à des assemblées de grains non browniens qui interagissent essentiellement par contact. Pour des particules plus fines, typiquement entre 1 ?m et 100 ?m, on parle plutôt de poudre. Dans ce cas, les interactions de van der Waals, les effets d'humidité et le rôle de l'air sont souvent prépondérants. Enfin, pour des particules encore plus petites (entre 1 nm et 1 ?m), on entre dans le monde des colloïdes où l'agitation thermique n'est plus négligeable (Russel et al., 1989) (figure 1.1). Notons que la dénomination " milieu granulaire " et " poudre " s'applique en général aux grains secs, c'est-à-dire sans fluide environnant, ou pour lesquels l'effet du fluide qui environne les grains peut être négligé (c'est souvent le cas des grosses particules dans l'air). Pour des particules plongées dans un liquide, on parle de milieux granulaires " mouillés ", ou plus généralement de " suspensions " dès que les interactions hydrodynamiques sont importantes.


1. Nous considèrerons essentiellement le cas de particules solides " rigides " ou très peu déformables, au sens où la pression de confinement sera toujours faible par rapport au module d'Young élastique ou à la résistance mécanique des grains. Notre définition exclut donc les particules très molles ou celles qui se fragmentent lors d'un écoulement. A contrario, une assemblée de gouttes liquides ou de bulles pourra parfois être assimilée à un milieu granulaire, si la pression de confinement est suffisamment faible devant la pression capillaire pour ne pas les déformer.



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Informations
Date :

20/09/2011


Langue :

Français


Pages :

510


Consultations :

5167


Note :
Format :

PDF / EPUB


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Résumé

Auteur : Andreotti


Editeur : EDP Sciences


Parution : 2011

ISBN : 9782759809257

Tags : Milieux granulaires, fluide, solide
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