Ce qui ressemble à du sable ordinaire, des roches ou de la neige qui coulent dans une direction peuvent en fait cacher des courants tourbillonnants qui se déplacent dans plusieurs directions sous la surface.
Lorsque les grains se déplacent dans un glissement de terrain, la plupart suivent le chemin de descente le plus raide. Il s'agit du «flux primaire», où les particules suivent largement le troupeau. Mais certains grains se déplacent latéralement ou tourbillonnent dans des motifs cachés, formant des « flux secondaires » qui influencent subtilement jusqu'où le matériau se déplace rapidement.
Comprendre comment les grains se déplacent sous la surface pourrait aider à expliquer la physique des avalanches et des glissements de terrain, et même améliorer la façon dont nous gérons les matériaux quotidiens comme le blé dans les silos ou les poudres dans les produits pharmaceutiques.
Cependant, personne n'a pu observer ces tourbillons cachés – jusqu'à maintenant. Dans une étude publiée dans Communications de la nature Aujourd'hui, nous avons capturé pour la première fois des flux secondaires à l'intérieur des matériaux granulaires avec notre configuration d'imagerie aux rayons X avancée.
Une expérience de bulldozer
L'idée que ces flux secondaires existent n'est pas nouveau. Les chercheurs ont vu ces mouvements cachés dans de puissantes simulations informatiques de grains entre les cylindres rotatifs ou dans les glissements de terrain qui modélisent le mouvement de chaque particule en utilisant des lois de base de la physique. Mais c'est une façon purement théorique de les étudier.
L'observation des flux de vrais matériaux granulaires – tels que du sable, de la neige ou similaires – a été presque impossible. Pour regarder à l'intérieur du flux, vous devez soit continuer à arrêter les grains pour les analyses de rayons X standard, soit ajouter un liquide qui les rend transparents. Malheureusement, les deux approches changent la façon dont les grains se comportent naturellement.
Nous avons entrepris d'étudier l'écoulement des perles de verre (un matériau granulaire parfait pour un cadre de laboratoire) dans une expérience de bulldozer, où une courroie de convoyeur pousse les grains dans un mur, ce qui les fait s'accumuler.
Dans notre laboratoire, nous avons développé une méthode entièrement nouvelle appelée rhéographie aux rayons X qui peut prendre des images tridimensionnelles de grains en mouvement. Appelé Dynamix, cette configuration nous permet de voir ce qui se passe réellement sous la surface.
À notre grande surprise, le test a révélé des ondulations à la surface, que des études antérieures avaient lié à des flux secondaires cachés.
Ces flux n'avaient jamais été directement observés en trois dimensions sans arrêter le mouvement ou modifier le matériau avec du liquide.
Nous pourrions regarder ces courants cachés en action sans perturber le mouvement des perles de verre. Pourtant, la géométrie complexe signifiait que nous ne pouvions capturer que l'ampleur de l'écoulement dans une direction, le long du tapis roulant comme direction principale, laissant le reste de l'image tridimensionnelle incomplète.
Ce que nous avons découvert en dessous
Pour vraiment épingler les flux secondaires, nous sommes allés plus loin que de regarder les grains avec Dynamix.
Nous avons développé une autre méthode de rayons X pour cartographier la surface du tas coulant des images aux rayons X, reliant de minuscules ondulations sur le dessus au mouvement tourbillonnant en dessous. Nous avons également mesuré comment les grains se déplacent dans toute la profondeur de la pile, y compris les mouvements latéraux.
Le flux principal va tout dans la même direction. Ainsi, les mouvements latéraux que nous avons détectés étaient la première preuve expérimentale directe des flux secondaires.
En regardant à l'intérieur de ces flux cachés, nous révélons la polyvalence surprenante des matériaux granulaires. Ils peuvent se comporter comme des solides qui soutiennent les bâtiments ou comme des fluides complexes avec des courants internes complexes.
Les mouvements tourbillonnants sont courants
Bien que nous n'étudions pas directement les glissements de terrain, nos expériences sur les particules de bulldozer révèlent quelque chose d'important.
Nous savons maintenant que les flux secondaires sont en jeu chaque fois que les particules sont poussées, comme lors du labour de la neige ou des grains en mouvement dans l'agriculture, par exemple. Les mouvements tourbillonnants que nous avons observés semblent être omniprésents dans les flux de particules complexes.
Qu'est-ce que cela signifie pour les glissements de terrain? Des expériences détaillées comme la nôtre fournissent des données cruciales qui peuvent être utilisées pour valider et améliorer les modèles mathématiques. Les modèles actuels ignorent souvent les débits secondaires et ne peuvent pas les prédire.
Notre travail offre la base expérimentale pour la modélisation future. La compréhension et la modélisation de ces flux secondaires pourraient aider les ingénieurs à mieux prédire le pouvoir destructeur des glissements de terrain, y compris les ruisseaux qui sont actuellement sous-estimés.
Il pourrait également améliorer les processus industriels, de la manipulation de la poudre dans les produits pharmaceutiques à la clairière des neiges et au-delà.
Bien que nos résultats soient spécifiques aux grains de bulldozer, ils indiquent un principe plus large – les flux sécables sont une caractéristique fondamentale du mouvement des particules qui doit être considérée dans tout modèle réaliste de comportement granulaire.
Sous la surface de tout tas de grains mobiles, les courants tourbillonnants cachés façonnent l'écoulement. Reconnaître ces mouvements est essentiel pour comprendre tout, des avalanches à la manipulation des particules industrielles.
