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La physique des tas de sable Illustration de couverture Dessin de Pierre-Yves C

La physique des tas de sable Illustration de couverture Dessin de Pierre-Yves Claudin ISSN: 0003-4169 ISBN: 2-86883-414-0 Tous droits de traduction, d'adaptation et de reproduction par tous precedes, reserves pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n'autorisant, aux termes des alineas 2 et 3 de 1'article 41, d'une part, que les « copies ou reproductions strictement reservees a 1'usage prive du copiste et non destinees a une utilisation collective », et d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, «toute representation integrate, ou partielle, faite sans le consentement de 1'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinea ler de 1'article 40). Cette representation ou reproduction, par quelque procede que ce soit, constituerait done une contrefafon sanctionnee par les articles 425 et suivants du code penal. ©EDP Sciences 1999 ANNALES DE PHYSIQUE VOLUME 24 N°2 1999 La physique des tas de sable Ph. Claudin CEA - Orme des merisiers, Gif-sur-Yvette SCIENCES 7, avenue du Hoggar Pare d'Activites de Courtaboeuf, B.P. 112 91944 Les Ulis Cedex A, France LES ANNALES DE PHYSIQUE Revue bimestrielle publiee sous la responsabilite scientifique de la Societe frangaise de physique, regroupant des articles de synthese et des mises au point dans tous les domaines lies aux sciences physiques EDITEUR EN CHEF Catherine BOISSON Astronomic - Astrophysique Observatoire de Meudon, F-92195 Meudon Principal Cedex (Tel. : 01 45 07 74 36, Fax : 01 45 07 74 69, e-mail : catherine.boisson@obspm.fr) EDITEURS ASSOCIES Physique Atomique et Moleculaire - Optique Classique et Quantique A. ASPECT Institut d'Optique Theorique et Appliquee, B.P. 147, F-91403 Orsay Cedex (Tel. : 01 69 35 87 03, Fax : 01 69 35 87 00, e-maii: alain.aspect@iota.u-psud.fr). Physique Quantique E. SURAUD Laboratoire de Physique Quantique, Universite Paul Sabatier, 118, route de Narbonne, F-31062 Toulouse Cedex (Tel. : 05 61 55 60 67, Fax : 05 61 55 60 65, e-mail : suraud@irsamc2.ups-tlse.fr) Physique des Hautes Energies S. JULLIAN Laboratoire de I'Accelerateur Lineaire, Centre d'Orsay, Bat. 200, F-91405 Orsay Cedex (Tel. : 01 64 46 84 26, Fax : 01 69 07 94 04, e-mail: Jullian@lalcls.in2p3.fr) Physique de la Matiere Condensee P. AVERBUCH Centre de Recherche sur les Tres Basses Temperatures, 25, avenue des Martyrs, B.P. 166 X, F-38042 Grenoble Cedex (Tel. : 04 76 88 10 25, Fax : 04 76 88 79 99, e-mail: averbuch@labs.polycnrs-gre.fr) J.-M. Di MEGLIO Institut Charles Sadron, 6, rue Boussingault, F-67083 Strasbourg Cedex (Tel. : 03 88 41 40 00, Fax : 03 88 41 40 99, e-mail: dimeglio@ics-crm.u-strasbg.fr) P. VOISIN LPMC-ENS, 24, rue Lhomond, F-75005 Paris (Tel. : 01 44 32 34 43, e-mail : voisin@physique.ens.fr) Physique Nucleaire B. BORDERIE Institut de Physique Nucleaire, Universite Paris XI, B.P. 1, F-91406 Orsay Cedex (Tel. : 01 69 15 71 48, Fax : 01 69 15 41 00, e-mail: borderie@ipno.in2p3.fr) D. LEBRUN ISN Grenoble, 53, avenue des Martyrs, F-38026 Grenoble Cedex (Tel. : 04 76 28 41 92, Fax : 04 76 28 40 04, e-mail: dlebrun@in2p3.fr) Physique Statistique J.Ph. BOUCHAUD SPEC, CEN L'Orme des Merisiers, F-91191 Gif-sur-Yvette (Tel. : 01 69 08 73 45, Fax : 01 69 08 87 86, e-mail: bouchaud@amoco.saclay.cea.fr) EDP Sciences S.A. 7, avenue du Hoggar, P.A. de Courtaboeuf, B.P. 112, F-91944 Les Ulis Cedex A, France (Tel. : 01 69 18 75 75 ; Fax : 01 69 28 84 91 ; e-mail: articles@edpsciences.com) Imprimerie Louis-Jean, B.P. 87, 05003 Gap, France - Depot legal : N 691 - septembre 1999 Secretaire de redaction : S. Hosotte - Secretaire generate de la redaction : A. Henri - Directeur de la publication : J.-M. Quilbe Abonnement 1999 : Volume 24 : 1620 FF HT; Prix de ce numero : 295 FF TTC Les Annales de Physique online : http://www.edpsciences.com - Commission paritaire N 54.171 VI La physique des tas de sable C^uelle difference y a-t-il entre un tas de cailloux et un tas de sel, entre des grains de ble et des grains de quartz, ou bien entre des boules de petanque et des billes de verre? Pour le physicien, la reponse est tres simple, il n'y en a pas, ou si peu... Les graviers, les grains, les graines, les cailloux, les sables, les billes, les boules et les poudres font tous partie d'une grande famille, celle des materiaux granulaires. Cette famille regroupe tous les corps formes de petits grains independants. Elle est si vaste qu'elle englobe la plupart des matieres premieres utilisees dans le batiment, mais aussi dans 1'agroalimentaire et les industries chimiques. En fait, les granulaires representent la deuxieme classe de materiaux la plus utilisee par 1'homme apres 1'eau! Si vaste que soit 1'ensemble des milieux granulaires, il regroupe des materiaux aux proprietes physiques et mecaniques remarquablenient semblables. C'est parti- culierement vrai pour les granulaires dits sees, c'est-a-dire tels que les interactions entre les grains et le milieu qui les entoure sont negligeables. Si on melange du sable avec de 1'eau par exemple, on a toujours un milieu granulaire mais il n'est evidemment plus sec, ce qui change beaucoup ses caracteristiques. Les proprietes physiques des granulaires sees sont assez etonnantes: elles sont, en quelque sorte, a mi-chemin entre celles des fluides et celles des solides. On peut tres facilement realiser chez soi quelques petites experiences qui illustrent bien ces phenomenes. Le meilleur endroit pour cela est certainement la cuisine, piece qui regorge de materiaux granulaires: sucre, couscous, riz, haricots sees ou noix feront I'affaire! Le seul veritable « danger » de ces manipulations, c'est de tout renverser par terre... Si on met du riz dans un recipient quelconque (un saladier par exemple), il en epousera les formes, exactement comme de 1'eau. Si Ton retourne energiquement ce recipient sur la table, le riz se deverse d'un coup, la encore comme un fluide. Mais si on le fait plus doucement, c'est par avalanches successives qu'il s'ecoule du saladier. Sur la table, le riz forme un tas stable, il ne s'ecoule plus. Si Ton verse plutot ce riz dans un autre recipient par I'intermediaire d'un entonnoir, il peut s'y ecouler tranquillement la encore comme de 1'eau, mais il peut aussi se bloquer dans I'etranglement en formant une voute. Un autre phenomene que 1'on peut tres facilement observer est celui que 1'on appelle la segregation, c'est-a-dire la separation de grains de natures differentes, par exemple des gros et des petits. Mettez des noix au fond d'un saladier. Recouvrez-les Preambule vii de haricots sees et secouez, les noix remontent a la surface et ne redescendent plus! Get effet amusant devient plutot genant quand, dans 1'industrie, on veut bien melanger deux poudres assez dissemblables, lors de la preparation d'une reaction chimique par exemple. Ces experiences tres simples ont ceci d'extraordinaire qu'elles dependent tres peu de la nature precise des grains utilises. Seul importe le caractere granulaire des materiaux. Le riz peut etre remplace par des pois-chiches ou bien du sucre, les observations resteront qualitativement les memes. Donner des explications claires a ces phenomenes tels que la formation d'ava- lanches, de dunes ou de voutes, ou bien encore la segregation, les decrire avec precision, ou simplement les maitriser correctement n'est cependant pas une mince affaire! Les chercheurs s'y attelent depuis plus d'un siecle, mais les progres dans ce domaine sont lents car ces materiaux rebelles ne se laissent pas enfermer dans des schemas trop simples. L'etude des granulaires releve done bien de la physique mo- derne et le nombre des questions encore sans reponse est veritablement immense! L'interet des scientifiques est d'autant plus grand que les enjeux derriere les ap- plications de ces etudes sont potentiellement considerables tant ces materiaux sont presents a tous les niveaux de 1'activite humaine. Cette douzaine de pages presente, aussi simplement que possible, 1'essentiel de mon travail de these qui a porte sur une propriete bien particuliere des materiaux granulaires, I'effet de voute. Get effet est essentiel a la comprehension de la physique des tas de sable. viii La vhvsiaue des tas de sable rL/n retournant ce gros tube en verre a moitie rempli de morceaux de sucre irreguliers, seuls quelques-uns de ces derniers sont tombes jus- qu'en bas. Les autres sont restes coinces a cause de quatre ou cinq morceaux qui ont decide 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 retrouves par hasard dans une configuration stable et n'ont plus eu de raison de bouger. Ils forment ainsi une voute naturelle. Ce phenomene est caracteristique des mate- riaux granulaires et cette situation de blocage est particulierement frequente lors d'ecoule- ments denses dans les tubes, silos ou tremies. Si cet effet de voute est bien visible dans ces situations dynamiques, il se manifeste egale- rnent, mais de fagon plus discrete et plus sub- tile, dans les systemes a 1'equilibre statique. Si Ton observe la maniere dont les forces se propagent dans un tas de sable, on remarque uploads/Sante/ claudin-ph-la-physique-des-tas-de-sable-routledge-1999-pdf.pdf