Des chaînes de force éclatent alors qu'un "intrus" est arraché d'un tas de disques circulaires, qui sont conçus pour simuler un matériau granulaire. L'ensemble du processus prend moins d'une seconde. Crédit :Yue Zhang, université de Duke
Vous pouvez facilement marcher sur le sable d'une plage. Mais entrez dans une piscine à balles, et il y a de fortes chances que vous tombiez à travers.
Les fosses à sable et à balles sont toutes deux des matériaux granulaires, ou des matériaux constitués d'ensembles de particules ou de grains beaucoup plus petits. En fonction de leur densité et de la force qu'ils subissent, les matériaux granulaires se comportent parfois comme des liquides - quelque chose à travers lesquels vous tombez - et parfois " se bloquent " dans les solides, en faire quelque chose sur lequel vous pouvez vous tenir debout.
"Dans certains cas, ces petites particules ont compris comment former des structures de type solide, " a déclaré Robert P. Behringer, James B. Duke Professeur de physique. "Alors pourquoi ne vont-ils pas toujours gicler sur le côté et se détendre tout le stress?"
Les physiciens ne comprennent pas encore exactement quand et comment se produit le brouillage, mais l'équipe de Behringer à Duke est sur l'affaire. Le groupe écrase, s'étire, les coups, et tire sur les matériaux granulaires pour avoir une meilleure idée de comment et pourquoi ils se comportent comme ils le font. L'équipe a récemment présenté 10 articles à la conférence Powders and Grains 2017, qui a eu lieu du 3 au 7 juillet, 2017 à Montpellier, La France.
Beaucoup de ces études utilisent l'une des techniques préférées du laboratoire, qui consiste à créer des matériaux granulaires à partir de petits disques transparents d'environ un demi-pouce à un pouce de diamètre. Ces disques sont constitués d'un matériau qui, grâce à la manière particulière dont il interagit avec la lumière, change de couleur lorsqu'il est écrasé. Cet effet permet à l'équipe de voir comment la contrainte dans le matériau change lorsque diverses forces sont appliquées.
Comme les roues tournent, la contrainte de cisaillement entre les disques crée un réseau dense de forces interparticulaires. Crédits :Yiqiu Zhao, université de Duke
Dans une expérience, L'étudiant diplômé Yue Zhang a utilisé une caméra à haute vitesse pour capturer les motifs de stress alors qu'une balle sur une ficelle est extraite d'une pile de ces disques. Dans la vidéo, la balle semble d'abord coincée sous le tas, puis cède soudainement après qu'une force suffisante a été appliquée - un peu comme ce que vous pourriez ressentir en tirant un piquet de tente hors du sol, ou en ouvrant le couvercle d'un bocal à cornichons embêtant.
"Ce qui est amusant, c'est que tu commences à essayer de tirer, vous ajoutez plus de force, vous ajoutez plus de force, et puis à un moment donné, vous tirez si fort que vous vous frappez à la tête, ", a déclaré Behringer.
L'équipe a été surprise de constater que les schémas de stress créés par le ballon, qui, selon Behringer, ressemble "à des cheveux tout dressés, " sont presque identiques à la contrainte d'impact, seulement à l'envers.
"Ce que vous voyez, c'est que même si vous tirez progressivement de plus en plus fort, la dynamique finale est en quelque sorte la même dynamique que vous obtenez à l'impact, ", a déclaré Behringer.
Dans une autre expérience, l'équipe a examiné ce qui se passe dans les matériaux granulaires sous contrainte de cisaillement, ce qui est similaire à la force que vos doigts exercent l'un sur l'autre lorsque vous les frottez l'un contre l'autre.
Sous les petits disques transparents se trouvent une série de roues concentriques, chacun attaché à son propre moteur. En faisant tourner ces plates-formes à différentes vitesses, Yiqiu Zhao peut observer comment la contrainte de cisaillement affecte les disques. Crédit :Université Duke
L'étudiant diplômé Yiqiu Zhao a placé des centaines de ces disques sur une plate-forme circulaire constituée d'une série de anneaux concentriques, dont chacun est contrôlé par un moteur séparé. Comme les anneaux tournent à des vitesses différentes, les particules frottent les unes contre les autres, créant une contrainte de cisaillement.
"Nous avons ici une vingtaine de moteurs pas à pas, afin que nous puissions faire pivoter tous les anneaux pour appliquer un cisaillement non seulement à partir de la limite extérieure, mais aussi de partout à l'intérieur de la masse de la matière, " a déclaré Zhao. Cela garantit que chaque particule du cercle subit un cisaillement similaire.
"L'un des principaux objectifs de cette nouvelle expérience était de trouver un moyen de tondre jusqu'à ce que les vaches rentrent à la maison, " a déclaré Behringer. " Et si cela prend cent fois plus de cisaillement que ce que je pourrais obtenir avec des expériences plus anciennes, eh bien, nous l'obtiendrons."
Comme les anneaux tournent, des vidéos du matériel montrent des forces qui sortent du cercle intérieur comme des éclairs. Ils ont constaté qu'en appliquant suffisamment de cisaillement, il est possible de rendre le matériau comme un solide à des densités beaucoup plus faibles qu'on ne l'avait vu auparavant.
"Vous pouvez réellement transformer un fluide granulaire en un solide granulaire en le cisaillant, " a dit Behringer. " Alors c'est comme si tu ne mettais pas ta glace au réfrigérateur, vous le mettez dans l'un de ces plateaux et vous cisaillez le plateau et il se transforme en glace."
