Un crabe fouisseur et des terriers trouvés sur une plage de sable à Ishigaki, Japon; et un diagramme schématique d'une plage de sable avec des terriers de crabe. Crédit :Hiroaki Katsuragi
Des chercheurs de l'Université de Nagoya rapportent une connexion mécanique entre les largeurs des terriers de crabe des sables et les largeurs des fosses cométaires à l'aide d'une simple expérience granulaire.
Les trous sur une plage de sable à proximité du rivage sont souvent des entrées pour les terriers de crabe des sables (Fig. 1). Il est frappant de constater que les tailles (diamètres d'entrée) des terriers ont une valeur typique (environ 2 à 3 cm). De plus, il n'y a pas d'entrées larges (par exemple, 10 cm de diamètre). Pourquoi les crabes ne creusent-ils que des terriers étroits ? Bien sûr, la taille du crabe est un facteur - il n'a pas besoin d'un grand terrier si sa taille de carapace est petite. Cependant, de nombreux types de crabes sont beaucoup plus gros que les crabes des sables - pourquoi ne creusent-ils pas des terriers dans le sable de la plage, trop?
Un autre facteur doit être à l'œuvre. Peut-être que la taille des terriers de crabe des sables est déterminée par la contrainte mécanique du substrat :le sable humide. Cette idée simple a été le point de départ de l'étude. Les chercheurs ont étudié la stabilité et la résistance des structures ressemblant à des terriers à l'aide d'un système de modèle simplifié. À la fois, ils ont réalisé que la structure vide (ou trou) au sein de la matière granulaire cohésive est omniprésente; par exemple, on sait que des vides existent à l'intérieur des comètes.
De plus, il est également connu que les vides peuvent être sujets à l'effondrement. Par conséquent, un système de modèle simple pourrait être utile pour expliquer une variété de phénomènes naturels d'effondrement du vide, y compris ceux trouvés sur les comètes.
Une expérience de compression de tunnel à l'aide d'une machine d'essai universelle a été réalisée dans cette étude (A). Une couche granulaire humide à structure tunnel horizontale a été préparée dans un récipient acrylique (B). La totalité de la couche granulaire humide, y compris la structure du tunnel, a été uniformément comprimée. Crédit :Hiroaki Katsuragi
En comprimant simplement une structure tunnel horizontale dans une couche granulaire humide produite par mélange d'eau et de billes de verre (Fig. 2), les chercheurs ont observé trois modes de déformation :(i) retrait sans effondrement; (ii) retrait avec effondrement mais pas d'affaissement; et (iii) effondrement avec affaissement. Le mode (i) peut être observé lorsque le diamètre initial du tunnel est suffisamment petit. Au fur et à mesure que le diamètre initial du tunnel augmente, le mode de déformation devient instable. La structure du tunnel chargée subit alors un effondrement de type (ii) ou (iii) selon les conditions expérimentales (diamètre initial du tunnel et granulométrie). Nous avons trouvé que la frontière entre (i) et (ii, iii) mesure environ 5 cm de diamètre. Réellement, cette valeur est assez proche de la limite supérieure de la taille des terriers de crabe trouvés sur le terrain. Cette correspondance suggère que les crabes creusent des terriers relativement étroits (de petit diamètre) pour éviter le risque d'effondrement - ils doivent être intelligents !
En outre, par des expériences systématiques, les chercheurs ont défini et mesuré la résistance d'une structure de tunnel en matière granulaire humide. Le résultat mesuré était fondamentalement cohérent avec les études précédentes similaires de la mécanique granulaire humide.
En utilisant les valeurs de résistance obtenues, les chercheurs ont également estimé la limite inférieure de la taille des structures de fosses trouvées à la surface des comètes. Ils se sont concentrés sur des surfaces cométaires recouvertes de structures de fosses dont l'origine plausible est l'effondrement de vides dû à la sublimation de matériaux volatils à l'intérieur de la comète. La surface d'une comète typique est constituée d'un mélange de glace et de particules solides. Ce type de mélange est aussi une sorte de matière granulaire cohésive typique, comme la matière granulaire humide utilisée dans l'expérience.
Pour construire des terriers de sécurité, les crabes des sables creusent des tunnels relativement étroits. De grands terriers sont susceptibles de s'effondrer. Les structures de fosse trouvées sur les surfaces des comètes ont une gamme de taille caractéristique qui est cohérente avec la condition d'effondrement des structures vides dans la matière granulaire cohésive. Par conséquent, il semble que les terriers de crabe et les fosses cométaires soient régis par la stabilité des vides dans la matière granulaire cohésive. Crédit :Hiroaki Katsuragi
Puisqu'un petit vide rétrécira et ne s'effondrera pas, il est peu probable que de petites fosses soient créées par un vide s'effondrant sous la surface. En effet, les valeurs mesurées des fosses sur les surfaces des comètes semblent avoir une limite inférieure.
En combinant tous les résultats expérimentaux et les informations d'observation (force du matériau de surface et accélération gravitationnelle qui sont significativement différentes du matériau terrestre), les chercheurs ont confirmé que le modèle de limite rétrécissement-effondrement est à peu près cohérent avec la limite inférieure observée de la taille des structures de fosses cométaires. L'expérience est résumée à la figure 3.
Dans cette étude expérimentale, le système modèle était extrêmement simplifié. Bien que les chercheurs croient que le comportement essentiel de la structure du tunnel dans la couche granulaire cohésive a été correctement compris dans l'étude, des expériences beaucoup plus réalistes sont nécessaires pour traiter les détails spécifiques. Pour une chose, les seuils de taille peuvent dépendre de la forme du grain. En outre, d'autres études sur le crabe sur le terrain amélioreraient la compréhension des terriers de crabe. Par ailleurs, ce type d'effondrement du vide dans la matière granulaire cohésive pourrait être plus universel qu'on ne le pensait auparavant. Les chercheurs suggèrent d'envisager des applications plus larges. Par exemple, en novembre 2016, une route de la ville de Fukuoka, dans le sud du Japon, s'est soudainement effondrée. Cela représente également un type de risque d'effondrement d'un vide dans une couche granulaire cohésive. C'est-à-dire, les résultats pourraient être pertinents pour les techniques de prévention des catastrophes, également.
