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Built on Sand

Le livre Matière en Grains a été traduit et est disponible aux éditions MIT Press sous le titre Built on Sand – The Science of Granular Materials.

Granular matter—materials composed of vast amounts of solid grains—constitutes the most abundant form of matter on Earth. Granular materials assemble in disordered configurations scientists often liken to a bag of marbles. Made of macroscopic particles rather than molecules, they defy the standard scheme of classification in terms of solid, liquid, and gas. Avalanches, for example, can be characterized as friction, geometric congestion between grains. Granular materials provide a model for various domains, including engineering, physics, and biology, shedding light on collective behavior in disordered settings in general. William Blake famously wished “To see a World in a Grain of Sand”; in this book, pioneering researchers in granular matter explain the science contained in a simple assembly of grains.

The authors begin by describing a single grain with its different origins, shapes and sizes, then examine grains in piled or stacked form. They explain the packing fraction of granular media, a crucial issue that bears on the properties displayed in practical applications, explore small-scale deformations in piles of disordered grains, with particular attention to friction, and present theories of various modes of disorder. Along the way, key concepts such as force chains, arching effects, wet grains, sticky contacts, and inertial effects are discussed. Drawing on recent numerical simulations as well as classical concepts developed in physics and mechanics, this book offers an accessible introduction to a rapidly developing field.

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Une rhéologie unifiée pour les milieux granulaires humides et secs

De nombreuses forces entrent en jeu dans le comportement des empilements de grains. Ces milieux complexes se déforment ou se maintiennent différemment selon leur humidité. Pour simplifier la description de ces comportements, des chercheurs du LMGC et du IATE ont établi le nombre visco-cohésif, un nombre sans dimension qui condense l’effet de plusieurs forces à la fois et qui devrait faciliter la modélisation des milieux granulaires.

© LMGC, IATE
Champ de vitesses des particules dans un écoulement (à gauche).
Le coefficient de frottement normalisé par sa valeur à faible taux de cisaillement (en haut à droite) et la compacité normalisée par sa valeur à faible taux de cisaillement (en bas à droite) en fonction du nombre visco-cohésif. Les valeurs du coefficient de frottement apparent de l’écoulement et de la compacité utilisées pour la normalisation sont tracées dans les inserts en fonction de la cohésion. 

Le sable humide, la neige ou le café moulu sont des exemples de milieux granulaires, constitués de particules collées par différentes forces. Des ponts capillaires peuvent se former en utilisant la tension de surface de l’eau contenue dans les matériaux, ce qui fait qu’un château de sable doit être mouillé pour tenir debout, mais on retrouve également des forces de van der Waals, issues d’interactions entre atomes, ainsi que des forces de frottement et de cisaillement. Le détail de leur rôle est mal connu, ce qui complique la modélisation et la compréhension de la rhéologie des milieux granulaires. Des chercheurs du Laboratoire de mécanique et génie civil (LMGC, CNRS/Université de Montpellier) et du laboratoire Ingénierie des agro-polymères et technologies émergentes (IATE, INRAE/Université de Montpellier/Cirad/Montpellier SupAgro) ont montré que plusieurs de ces paramètres pouvaient être combinés en une seule valeur sans unité : le nombre visco-cohésif.

Celui-ci couvre en effet la pression de confinement, le taux de cisaillement et les interactions liées aux forces visqueuses et cohésives. Les chercheurs ont obtenu le nombre visco-cohésif en exploitant le principe d’additivité des contraintes. Lorsque les forces liées à la cohésion et à la viscosité s’annulent, on retrouve le nombre inertiel, déjà utilisé pour les écoulements de matériaux granulaires non cohésifs. Le nombre visco-cohésif est donc une généralisation de ce nombre inertiel, unifiant ainsi les modèles de matériaux granulaires humides et secs pour décrire leur comportement dans un même cadre. Cela ouvre la voie à leur modélisation à grande échelle et à des applications pour la conception de malaxeurs, de silos à grains ou de structures paravalanches.

Référence : (Open Access)

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Comment s’écoulent des grains mêlés à un fluide – Article Pour la Science

Omniprésente dans la Nature et dans de très nombreuses applications, « la matière en grains » est, depuis longtemps, l’objet de recherches dans des domaines scientifiques très divers : l’agronomie, la pédologie ou science des sols, le génie civil, celui des procédés, tout ceci sans compter les études plus fondamentales en physique et en science des matériaux. Dans les décennies passées, un effort unificateur important de compréhension de ce matériau commun et pourtant si particulier avait été conduit, notamment en France. Il s’appuyait sur un simple modèle, dit du « sac de billes », obtenu avec des empilements de sphères non déformables de même diamètre.

Si les propriétés des milieux granulaires secs ont alors été relativement bien décrites, cela n’a été le cas que récemment pour des grains en présence d’un fluide remplissant l’espace entre eux. Or, dans la nature et dans l’industrie, les grains sont souvent mélangés à des liquides ou interagissent avec l’air présent dans les canaux -ou pores- entre les grains. Les exemples en sont variés : le transport pneumatique de la farine dans les moulins, les vents de sable dans le désert, le béton frais dans les coffrages, les grains charriés par les cours d’eau…

Dans cet article de Pour La Science 499 de mai 2019 nous donnons quelques illustrations de résultats récents dont certains ont nécessité l’utilisation de nouveaux moyens numériques.

Lien vers l’article :

Jean-Yves Delenne, Etienne Guyon, Farhang Radjaï, Comment s’écoulent des grains mêlés à un fluide, Pour la Science 499, Mai 2019

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Du merveilleux caché dans le quotidien – La physique de l’élégance

C’est un sentiment que nous avons tous éprouvé : derrière les objets qui émaillent notre quotidien se cache une étrange beauté. Elle semble le fruit d’un ordre naturel ou voulu, d’une organisation sous-jacente, mais aussi d’une fonction que nous ne percevons pas toujours.

Dans ce livre largement illustré, les auteurs, physiciens à l’ESPCI-Paris (École supérieurede physique et de chimie industrielles de la ville de Paris), se proposent de réapprendre à voir le monde qui nous entoure, tout en révélant la science à l’œuvre. Des combles d’Azay-le-Rideau à la mousse de savon, en passant par la boulette de papier froissé et le pont de liane, les 35 thèmes traités ont tous un point commun : la merveilleuse élégance des formes.

Etienne Guyon a consacré plusieurs chapitres où l’élégance se construit dans la matière en grains, du chateau de sable jusqu’à la structure en béton. Une partie « du grain au verre » reprend de façon différente quelques thèmes abordés dans Matière en Grains.

Communiqué de presse et table des matières

Du merveilleux caché dans le quotidien, Étienne Guyon, José Bico, Étienne Reyssat, Benoît Roman, Edition Flammarion.

 

320 pages – 162 x 210 mm Couleur – Broché

EAN : 9782081350618

ISBN : 9782081350618

 

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La dune du Pilat

A l’entrée du bassin d’Arcachon, dominant les landes de Gascogne,
la plus haute dune d’Europe, est passée à la loupe.  Sur leur site Internet, réalisé à l’occasion d’un TPE (Travail Personnel Encadré), Clovis et Max élèves en 1ere S au Lycée d’Arsonval, racontent leur découverte de la Dune du Pilat. On les suit dans leur périple entre observations sur le terrain, expériences au laboratoire, et rencontres avec des spécialistes des dunes et du sable…
ça vaut le détour !
Il y a de la place pour de nombreux autres sujets aussi passionnants (TPE, TIPE ou tout autour du sable et de la matière en grains). N’hésitez pas à nous contacter !

Site internet : Pile là, la dune du Pilat !

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La matière en fibres

On connaît le beau livre  « Bâtir en terre » de L. Fontaine et R. Anger  de AMACO  publié en 2009 chez Belin . Ce laboratoire AMACO  dont nous parlons sur notre site prolonge sa recherche avec Aurelie Vissac autour de  la matière en fibres.  Cette recherche déjà bien avancée s’applique aussi bien aux huttes, qu’au bétons hautes performances, en passant par l’habitat renforcé de terre. En attendant la sortie d’un nouvel album nous vous invitons à regarder comment construire une maison en bauge renforcée de fibres.

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« Planète Sable », un projet bâti sur le sable !

Le projet de Musée du sable a fêté ses 20 ans, le dernier week-end d’août dernier, avec des manifestations diverses et une soirée qui a débuté sur le site où ce musée va être construit  très prochainement. Elle  a commencé par  l’accueil de personnalités et d’amis (élus, associations, mécènes…) venus soutenir cette initiative sur le site de la construction aux Sables d’Olonne.

Sur la photo : à gauche de la sénatrice Annick Billon (maire adjointe au Château d’Olonne et vice-présidente des Sables Agglomération), Jean Claude Daniel, le pilote de l’action depuis 20 ans, et deux amis fidèles du projet, Etienne Guyon et Jack Guichard, tous deux anciens directeurs du Palais de la Découverte.

La première  pierre est pour bientôt avec les soutiens nécessaires (collectivités locales et territoriales, Fonds Sylvain Augier)… mais les nombreux premiers grains de sable sont  déjà bien en place !  A côté d’une importante collection de grains venus du monde entier, l’action  de l’équipe projet autour de J-C. Daniel qui comprend d’anciens élèves y ayant participé pendant leur scolarité, des bénévoles très impliqués et deux salariées, ne  s’est pas limitée à chercher des fonds !

C’est entre autres sur les plages, auprès du grand public depuis 20 ans que les actions culturelles scientifiques se déroulent, avec des exposés, des  démonstrations et des jeux de plage : des enjeux, en plus des classiques  compétitions  de châteaux de sable, consistent à  construire un mur percé au travers duquel le jeune constructeur peut passer, ou à réaliser la plus haute colonne de sable possible… Le « musée » est bien parti !

Sur la photo : Observer les grains avant de construire des châteaux de sable sur la plage toute proche.

Après 20 mn et à mains nues, les tours sont construites !

Doser les contraintes dans cette construction éphémère !

 

 

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Congrès Mondial Powders & Grains

Powders & Grains un congrès mondial dans la continuité du livre Matière en Grains.
 

 

Avec 500 participants, dont deux tiers de chercheurs étrangers, se sont retrouvé à Montpellier début juillet pour échanger sur l’avancement de la recherche sur la matière en grains !

Avec plus de 300 posters, 400 articles et une cinquantaine de vidéos disponibles en libre accès sur internet, la conférence internationale Powders & Grains est la plus importante dans le domaine de la physique et la mécanique des matériaux formés de grains. Présidée par Farhang Radjaï et Jean-Yves Delenne (chercheurs à Montpellier) elle se tient tout les quatre années sur un continent différent.
Quels nouveaux matériaux peut-on développer à partir de grains qui peuvent se souder entre eux comme les céramiques industrielles ? Comment agglomérer des grains pour la  pharmacie ou dans l’industrie agroalimentaire? Comment répondre aux exigences du traitement des sols ? Comment produire des grains de façon économique sachant que l’industrie consomme aujourd’hui autant d’énergie pour réduire la matière en grains que dans la totalité du secteur du transport. Il est nécessaire de limiter  le pillage des plages qui est une ressource naturelle difficilement renouvelable!  Est-il possible de créer des bétons moins gourmands en grains ainsi qu’en ciment dont la préparation produit aujourd’hui des quantités considérables de CO2 ? En particulier, comment réaliser un habitat durable à partir d’architecture de terre crue ?
Pour répondre à toutes ces questions, il faut étudier les grains par le menu ; tenir compte de leurs formes, de leurs tailles, de leur organisation. et dont la façon dont ils s’associent entre eux. Ce sont des enjeux scientifiques que, avec enthousiasme, les participants ont apporté et partagé, faisant part de leurs découvertes et de leur questions.

Powders & Grains a été aussi l’occasion de mettre en avant les actions auprès du public. Etienne Guyon, directeur honoraire du Palais de la Découverte a présenté une synthèse des actions de diffusion culturelles et pédagogiques en France autour de la matière granulaire. Heinrich Jaeger de l’Université de Chicago a mis en avant des nouvelles applications de matériaux granulaires à l’architecture et à l’Art. L’association Amaco, a animé tout au long de la conférence un atelier montrant des expériences simples sur les sols des particules les plus grossières aux plus fines : les argiles.
Enfin, pour les plus courageux, une excursion sur le terrain animée par Alfredo Taboada, Frédéric Bouchette, et Thierry Ruiz a permis de découvrir les processus d’érosion qui conduisent à la formation de grains dans l’arrière pays de Montpellier. Ce fut aussi l’occasion de découvrir les produits régionaux (vins, fromages…) lors d’un grand piquenique au bord du lac du Salagou.
 
Et que cela ne nous émpêche pas de nous intéresser aux grains sur nos plages préférées pendant les vacances… avec aussi la curiosité du découvreur…

Références

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Le musé du sable

Un projet « bâti… sur du sable » !!!

En recueillant quelques échantillons de sable de toute la Planète il y a quelques années, qui aurait pu penser qu’un projet de Musée du Sable, projet encore unique au monde, verrait le jour et se concrétiserait dans la région des Sables d’Olonne, en Vendée ?

Issu d’une démarche originale, bien inscrit dans le tissu local par ses initiateurs et acteurs, ce projet a su mobiliser des partenaires de tous horizons, séduits par cette nouvelle offre dans le paysage culturel, scientifique, pédagogique, touristique, économique, industriel, naturel…

Figure – Fête de la Science 2015, Atelier et exposition « Le sable, le matériau » réalisés par l’association du Musé du Sable

Pour plus d’information… www.museedusable.com