Avez-vous mangé des céréales ce matin? Ou avez-vous marché sur un chemin de gravier? Peut-être que vous aviez mal à la tête et avez dû prendre une pilule? Si vous avez répondu à l'une de ces questions avec un oui, vous avez interagi avec un système granulaire aujourd'hui.
Les scientifiques classent toute collection de petites particules dures – telles que le riz soufflé, les grains de sable ou les pilules – comme système granulaire.
Même si tout le monde a interagi avec ce type de systèmes, décrivant la physique de la façon dont les particules agissent collectivement lorsqu'elles sont proches les unes des autres sont étonnamment difficiles.
Les systèmes granulaires se déplacent parfois comme un liquide. Pensez à un sablier où le sable, un matériau granulaire très typique, coule de la moitié du verre à l'autre. Mais si vous courez sur une plage, vous savez que le sable peut également agir comme un solide. Vous pouvez vous déplacer dessus sans couler à travers le sable.
En tant que géologue, je suis intéressé à comprendre quand un système granulaire coule et quand il a de la force et se comporte comme un solide. Cette ligne de recherche est très importante pour de nombreuses applications agricoles et industrielles, telles que le déplacement des grains de maïs ou des pilules dans un pipeline ou une goulotte.
Comprendre quand un système granulaire peut s'écouler est également essentiel pour les évaluations des risques géologiques. Par exemple, les géologues aimeraient savoir si les différents rochers constituant la pente d'une montagne sont stables ou s'ils se déplaceront en tant que glissement de roche.
Transfert des forces entre les grains
Pour comprendre le comportement d'un système granulaire, les scientifiques peuvent zoomer et regarder les interactions entre les grains individuels. Lorsque deux particules sont en contact les unes avec les autres, elles peuvent transférer des forces entre elles.
Imaginez ce scénario: vous avez trois balles de tennis – les grains de cette expérience. Vous placez les balles de tennis d'affilée et pressez les trois balles entre votre main et un mur, afin que votre main appuie contre la première balle. La dernière balle est en contact avec un mur, mais la balle du milieu est flottante et ne touche que les deux autres balles.
En poussant contre la première balle, vous avez réussi à transférer la force de votre main à travers la rangée de trois balles de tennis sur le mur, même si vous n'avez touché que la première balle.
Imaginez maintenant que vous avez beaucoup de grains, comme dans un tas de sable, et tous les grains de sable sont en contact avec certains grains voisins. Les grains qui touchent les forces de transfert les uns entre les autres. La façon dont les forces sont distribuées dans ce système granulaire dicte si le système est stable et immobile ou s'il se déplace – tel qu'un glissement de roche ou le sable dans un sablier.
Suivi des forces en laboratoire
C'est là que mon équipe de recherche entre en jeu. Avec mes étudiants, j'étudie comment les grains interagissent les uns avec les autres en laboratoire.
Dans nos expériences, nous pouvons visualiser les forces entre les grains individuels dans un système granulaire. Bien que tous les systèmes granulaires aient ces forces présentes, nous ne pouvons pas voir leur distribution car la force est invisible dans la plupart des grains, comme le sable ou les pilules. Nous ne pouvons voir les forces que dans certains matériaux transparents.
Pour rendre les forces visibles, nous avons fabriqué des grains en utilisant un matériau transparent et possède une propriété spéciale appelée photoélasticité. Lorsque les matériaux photoélastiques sont illuminés et connaissent la force, ils divisent la lumière en deux rayons qui voyagent à différentes vitesses.
Cette propriété forme des bandes lumineuses et colorées dans le matériau autrement transparent qui rendent la force visible. La luminosité des grains dépend de la quantité de force qu'un grain éprouve, nous pouvons donc voir comment les forces sont distribuées dans le système granulaire. Les particules elles-mêmes n'émettent pas de lumière, mais elles changent à quelle vitesse les rayons lumineux traversent eux lorsqu'ils éprouvent une force, ce qui les rend plus lumineux.
Les scientifiques devant nous ont utilisé la photoélasticité pour visualiser la force dans les matériaux granulaires. Ces expériences précédentes, cependant, n'ont examiné qu'une seule couche de grains. Nous avons développé une méthode pour voir les forces non seulement dans une seule couche de grains, mais tout au long d'un tas.
Observer les forces à l'extérieur du tas de grains est assez facile, mais voir comment les forces sont distribuées au milieu de la pile est beaucoup plus difficile. Pour voir au milieu du système granulaire et pour illuminer les grains, nous avons utilisé une feuille de lumière laser.
Pour générer une feuille de lumière laser, nous avons manipulé un faisceau laser de sorte que la lumière s'étale sur une feuille très étroite.
Avec cette feuille lumineuse, nous avons illuminé une tranche dans tout le système granulaire. Sur cette tranche illuminée, nous avons pu voir quels grains transfèrent des forces, de la même manière aux expériences bidimensionnelles précédentes, sans avoir à se soucier de la troisième dimension.
Nous avons ensuite collecté des informations à partir de nombreuses tranches dans différentes parties du tas de grains. Nous avons utilisé les informations des tranches individuelles pour reconstruire le système granulaire tridimensionnel.
Cette technique est similaire à la façon dont les médecins reconstruisent des formes tridimensionnelles du cerveau et d'autres organes des images bidimensionnelles obtenues par un scanner CT médical.
Dans nos expériences actuelles, nous n'avons utilisé qu'un petit nombre de grains – 107. De cette façon, nous pouvons garder une trace de chaque grain individuel et tester si cette méthode fonctionne pour voir la distribution de la force en trois dimensions. Ces 107 grains remplissent une boîte en forme de cube qui mesure environ 4 pouces (10 centimètres) de large, grande et profonde.
Jusqu'à présent, la méthode expérimentale fonctionne bien et nous avons pu voir comment la force est distribuée entre les 107 grains. Ensuite, nous prévoyons d'étendre la configuration expérimentale pour inclure plus de grains et d'explorer comment la force change lorsque nous agitons le système granulaire – par exemple, en le heurtant.
Cette nouvelle approche expérimentale ouvre la porte à de nombreuses autres expériences qui nous aideront à mieux comprendre les systèmes granulaires. Ces systèmes sont tout autour de vous, et même s'ils semblent si simples, les chercheurs ne comprennent toujours pas vraiment comment ils se comportent.
