Les chercheurs ont montré pour la première fois comment les mouvements cachés pouvaient contrôler comment les matériaux granulaires tels que le sol et le glissement de neige et le glissement, confirmant une hypothèse suspectée à long terme. Les connaissances pourraient aider à comprendre comment fonctionnent les glissements de terrain et les avalanches et même aider l'industrie de la construction à l'avenir.
Les scientifiques ont trouvé des tourbillons sournois et des boucles de mouvement dans des matériaux tels que le sol et la neige pourraient influencer la façon dont les matériaux se déplacent. Les connaissances pourraient être inestimables pour comprendre comment les avalanches et les glissements de terrain sur Terre et Mars accélèrent ou ralentissent. La compréhension de ce phénomène pourrait également profiter à diverses industries, de la construction à l'exploitation des silos pendant la remplissage des grains et la décharge.
Les résultats, publiés dans Communications de la naturesont une étape importante dans le domaine de la physique granulaire.
Tout comme les atomes dans une rivière, lorsque les particules se déplacent dans la neige ou le sol, elles ne suivent pas toujours le chemin de leurs voisins. Il a longtemps été théorisé parmi les chercheurs qui sous la surface de ces matériaux, il y a des courants et des tourbillons cachés qui pourraient avoir un impact sur le pouvoir destructeur des avalanches et des glissements de terrain.
Appelé «flux secondaire», le processus n'a jamais été observé sous la surface, car il n'était pas possible de voir à travers les matériaux lorsqu'ils coulent.
Une équipe internationale de scientifiques dirigée par l'Université de Sydney a maintenant cartographié et capturé ce phénomène dans la majeure partie des grains qui coulent pour la première fois. Ceci a été réalisé à l'aide de Dynamix, une technologie de rayonnement à rayons X unique construite par les chercheurs pour découvrir l'existence d'un flux secondaire.
L'équipe a utilisé un système de rayons X tridirectionnel simultané pour regarder à l'intérieur des masses de sol qui coulent en temps réel. Des algorithmes spécialement conçus ont été développés pour traiter les données et cartographier le mouvement.
« Les matériaux granulaires sont partout. Il est important de comprendre la physique de la façon dont ils coulent et interagissent: à partir de minuscules grains de sable ou de neige, ou même des morceaux de roches dans le traitement des minéraux, les matériaux granulaires peuvent soit se comporter comme des solides et des flux de fluides, comme pendant les glissements de terrain ou lorsque nous déchargeons des silos », a déclaré le professeur de chercheur senior Itai einav, de l'école de l'ingénierie civil de l'université au Faculty of Engineering.
« L'existence d'un flux secondaire a été une théorie durable en physique granulaire, mais elle n'a jamais été confirmée en 3D et en temps réel. Découvrir le flux secondaire et comprendre comment il influence le mouvement des médias granulaires ouvrira de nouvelles possibilités pour l'industrie et la recherche », a déclaré le professeur Einav, qui est également directeur du Sydney Center en géomécanique et en matériaux minières (Scigem).
Tech à domicile résolvant un mystère près d'une décennie dans la fabrication
Derrière une immense porte de plomb dans un coin calme de l'école de génie civil se trouve un instrument sur mesure pour analyser la physique granulaire, qui a joué un rôle clé dans la confirmation du flux granulaire secondaire.
« Nous étions déterminés à comprendre le flux rapide des médias granulaires, mais il n'y avait aucun équipement disponible sur le marché, nous avons donc décidé de le construire nous-mêmes », a déclaré le professeur Einav.
Dynamix a été construit sur cinq ans, mais l'idée est venue à l'équipe du professeur Einav il y a près d'une décennie.
Un ensemble de trois tubes et détecteurs à rayons X perpendiculaires montés sur un cadre modulaire permet le positionnement des paires de rayons X pour examiner tout vaisseau de grains transparent à la radiographie aux rayons X. Avec Dynamix, l'équipe peut étudier presque tous les types de matériaux mélangés qui coulent, des perles de verre, du sol aux mousses, humides ou sèches.
Pour l'expérience, l'équipe a utilisé une bande transporteuse pour conduire un tas de perles de verre contre un mur, voyant comment les bosses de surface et les trempettes se sont formées. La porte recouverte de plomb protège les chercheurs du rayonnement émis par les trois puissants paires de détecteurs de tubes à rayons X de Dynamix qui pointaient le récipient de particules, pour révéler des mouvements cachés à l'intérieur du matériau.
En observant à partir d'une salle de contrôle, les chercheurs ont regardé les grains tourbillonnant et roulaient dans des modèles 3D complexes sous la surface de l'écoulement.
Le professeur Einav pense que Dynamix est le seul instrument du genre à étudier les flux granulaires en temps réel et en 3D.
« Le prochain mystère à résoudre est l'origine du flux secondaire, et si sa force est influencée par les propriétés du matériel fluide. Notre objectif est de développer des modèles qui peuvent expliquer ces questions mathématiquement », a déclaré le professeur Einav.
Le premier auteur, le Dr Andres-Felipe Escobar-Rincon, a déclaré que l'équipe voulait initialement étudier comment les flux granulaires (comme les avalanches ou les glissements de terrain) se comportent lorsqu'ils ont atteint un obstacle, comme un mur de soutènement.
« Cependant, une fois que nous avons remarqué des variations à la surface et examiné leurs vitesses internes avec des rayons X, nous avons réalisé que nous envisageons des interactions complexes qui se produisent au-delà des avalanches et des glissements de terrain », a déclaré le Dr Escobar-Rincon. Il a mené l'étude dans le cadre de son doctorat. à l'Université de Sydney, en collaboration avec l'Université Grenoble Alpes, où il est maintenant basé.
« Maintenant, nous sommes curieux de savoir ce qui les motive », a-t-il déclaré.
