«

»

Août
01

On a marché sur… du liquide

Selon les forces appliquées, les suspensions de grains dans un liquide sont plutôt fluides ou plutôt solides.

Paru dans : On a marché sur… du liquide J.M. Courty et E. Kierlik, Pour la Science N°394, (aout 2010)

Extrait

Sous l'effet de forces de cisaillement importantes, une suspension telle qu’un mélange d’eau et de fécule de maïs se comporte comme un solide. Une personne peut alors marcher dessus sans s’enfoncer. En revanche, lorsque les forces appliquées sont faibles, si la personne s’arrête de marcher par exemple, la suspension est fluide. (Dessin : Bruno Vacaro)

L’étudiant s’élance ; à grandes enjambées, il traverse un bac rempli d’un mélange d’eau et de fécule de maïs comme s’il courait sur le sol (voir la figure 1). Au retour, il s’arrête en plein milieu et s’enfonce comme dans des sables mouvants…

Ravissant son public, l’étudiant vient de mettre en évidence de façon spectaculaire (et en vidéo sur YouTube !) les propriétés déroutantes de certaines suspensions, c’est-à-dire des dispersions d’un solide finement divisé dans un liquide : ces mélanges apparaissent liquides ou solides selon les circonstances. Pour comprendre cette propriété, dont l’enjeu dépasse celui des happenings estudiantins, il faut examiner de près le comportement des petits grains sous l’effet d’un écoulement

Des suspensions qui ont un petit grain

À défaut d’amasser beaucoup de fécule de maïs, on peut expérimenter dans sa cuisine en versant peu à peu, en remuant, cette poudre dans de l’eau ; ou inversement. On peut atteindre le même état avec l’un ou l’autre des procédés, et chacun à sa façon aide à comprendre ce qui se passe.

La fécule de maïs se compose de petits grains d’amidon plus ou moins lisses, de quelques dizaines de micromètres. Quand on ajoute de l’eau, comme les grains, hydrophobes, ne l’absorbent pas, elle commence à remplir les interstices entre les grains. Mais de quel espace l’eau dispose-t-elle ? Si l’on verse des billes dans un récipient au hasard, le volume vacant correspond à environ 40 pour cent du volume total. En revanche, si les billes sont bien tassées, la fraction de volume disponible descend à 36 pour cent, voire 26 pour cent dans le cas d’un agencement bien ordonné en tas d’oranges.

Quand le sable se dilate

Autrement dit, selon l’arrangement des grains, le volume interstitiel diffère. Cette remarque aide à comprendre ce qui se passe lorsqu’on marche sur le sable mouillé au bord de la plage. Quand le pied se pose, le sable s’assèche autour (voir la figure 2). Pourquoi ? Le sable mouillé est relativement compact. En appuyant, le pied modifie l’arrangement des grains, car il les force à rouler les uns sur les autres, tels des engrenages, jusqu’à ce que les frottements entre grains les bloquent dans une configuration moins compacte : l’espace interstitiel augmente – c’est l’effet de « dilatance » – et devient supérieur au volume d’eau présent.

Cet arrangement est aussi plus rigide, car il se forme dans le sable un réseau de grains bloqués par leurs frottements mutuels. Si le pied reste au sol, l’eau de mer s’infiltre rapidement dans les espaces vacants, ce qui assèche en partie le sable voisin.

Quand le pied se soulève, les contraintes se relâchent et les grains peuvent se réorganiser de façon plus optimale, le volume interstitiel diminue et une mince pellicule d’eau réapparaît à la surface du sable. Les frottements entre grains diminuent et le mélange sable-eau se ramollit. l’ajout d’eau commence par créer des ponts capillaires entre les grains, qui s’agrègent et forment des grumeaux ; mais lorsque l’ensemble de la poudre a été mouillée, on constate que si l’on arrête de remuer et d’exercer des forces, les grumeaux perdent leur forme et deviennent mous, signe de la réorganisation des grains. ( … )

Pour en savoir plus

  • E. E. Bischoff White et al., Extensional rheology of a shear-thickening cornstarch and water suspension, Rheologica Acta, vol. 49, pp. 119-129, 2010.
  • N. J. Wagner et J. F Brady, Shear thickening in colloidal dispersions, Physics Today, octobre 2009.
  • A. Fall et al., Shear thickening of cornstarch suspensions as a reentrant jamming transition, Physical Review Letters, vol. 100, 018301, 2008.

 

 

 

Laisser un commentaire

Votre adresse ne sera pas publiée.

Vous pouvez utiliser les balises HTML suivantes : <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>