Pourquoi les solides ne s’enfoncent-ils pas toujours dans les grains en suspension ?

Résultat scientifique Mécanique des fluides

Formation de cratères ou résistance par solidification transitoire, les milieux granulaires réagissent très différemment à l’impact d’un solide. Des chercheurs de l’Institut universitaire des systèmes thermiques industriels et de l’Institut de recherche sur les phénomènes hors équilibre proposent un nouveau modèle pour expliquer ces divers comportements des grains en suspension dans un liquide. Il prend en compte l’existence d’un puissant effet de rétroaction du liquide sur les grains. Ces travaux ont été publiés dans Physical Review Letters.

Lorsqu’un objet est lâché au-dessus d’un milieu formé de grains et d’un fluide, deux réactions sont possibles. Il peut soit s’y enfoncer comme dans des sables mouvants, soit être stoppé comme contre les suspensions de maïzena sur lesquelles il est possible de courir. Les chercheurs de l’Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI, CNRS/AMU/École Centrale Marseille), et de l’Institut de recherche sur les phénomènes hors équilibre (IRPHE, CNRS/AMU/École Centrale Marseille), ont voulu comprendre l’origine de cette différence.


Ils ont pour cela étudié l’impact d’une sphère rigide dans une suspension granulaire modèle. Le milieu est contenu dans un dispositif qui contrôle précisément la compacité de l’empilement des grains et mesure la pression exercée par le liquide. Un faible changement d’état suffit à provoquer une transition spectaculaire entre un comportement de type liquide et un comportement de type solide. On parle pour ce seuil de fraction volumique critique.


Selon le principe de dilatance de Reynolds, si un milieu granulaire est assez tassé pour dépasser sa fraction volumique critique, son empilement se dilate en cas de choc. Dans ce cas, l’espace entre les grains aspire le liquide dans lequel ils sont en suspension. Au contraire, en dessous de la fraction critique, l’empilement se compacte et chasse une partie du fluide de l’espace entre les grains. Or les chercheurs ont montré que ce sont ces mouvements du liquide qui permettent au milieu granulaire de se fluidifier ou de se solidifier. En plus d’améliorer notre compréhension du comportement des milieux granulaires, ces travaux éclairent des phénomènes tels que la liquéfaction des sols lors des séismes ou la formation des cratères météoritiques, et aider au développement de nouveaux types de gilets pare-balles. 

© J. J. S. Jerome, N. Vandenberghe, Y. Forterre 

Impact d'une sphère rigide dans une suspension granulaire concentrée (billes de verre dans l'eau) dans le cas d'une préparation lâche (compacité 56 %, séquence du haut et film 1) ou dense (compacité 60 %, séquence du bas et film 2).

Références :

Unifying Impacts in Granular Matter from Quicksand to Cornstarch
J. John Soundar Jerome, Nicolas Vandenberghe, and Yoël Forterre
Phys. Rev. Lett. 117, 098003 (2016)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.098003

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