- Matériau granulaire
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Un matériau granulaire est un matériau constitué en réalité d'un grand nombre de particules distinctes (grains). Cette division éléments multiples entraîne des comportements particuliers de ces matériaux, beaucoup de propriétés à grande échelle étant ainsi indépendantes des propriétés individuelles des grains.
Ce type de matériau se rencontre dans beaucoup de domaines, aussi bien naturels (sable et dunes, roches dans une coulée de boue, avalanches etc.) qu'industriels (préparation de médicaments, fabrication de bétons, peintures etc.) ou même agroalimentaires (grains de maïs ou de blé par exemple).
Sommaire
Description
Les matériaux divisés sont constitués de grains distincts, dont les collisions sont dissipatives du point de vue énergétique.
Au niveau des grains, le terme de matériau granulaire ne s'applique plus lorsque ceux-ci sont soumis à l'agitation thermique et au mouvement brownien. Ainsi, lorsque les grains ont des tailles caractéristiques de l'ordre du micromètre ou moins, on parle de colloïdes. Il n'y a en revanche pas véritablement de limite supérieure à la taille des grains, puisqu'on peut aussi parler de granulaires lorsque l'on étudie la formation de planètes à partir d'astéroïdes dans l'espace. Les grains peuvent avoir différentes formes, voir être déformables. Une suspension où tous les grains ont la même taille est dite monodisperse, dans le cas contraire on parle de polydispersité.
Le fluide qui se trouve entre les grains a aussi avoir une grande importance. On pense généralement à l'air, mais il peut d'agir d'eau (exemple du sable sous la mer ou dans une rivière), ou d'un autre fluide (huile, polymères). On parle alors de matériaux granulaires immergés. Il faut noter que si la densité des grains est proche de celle du fluide, on parle alors de suspension car les grains ne sédimentent pas dans le fluide.
Compacité
La compacité indique le rapport entre la quantité de grain dans un volume donné et le volume total du matériau granulaire. Pour des grains sphériques mono-disperses, ce rapport varie entre 0 pour un gaz granulaire (voir paragraphe suivant) et 0.64 (empilement compact aléatoire). Notons que dans le cas d'un empilement non aléatoire, le rapport pourrait atteindre au maximum 0.74 ("cristal" hexagonal compact), mais cette compacité n'est dans la pratique jamais atteinte dans les manipulations habituelles de matériaux granulaire.
Chocs entre grains et dissipation d'énergie
Les chocs entre grains sont la principale source de dissipation d'énergie lors du mouvement d'un matériau granulaire sec, et sont à l'origine des comportements particuliers de ces matériaux. Lors de la collision inélastique de deux grains, une partie de l'énergie est dissipée en chaleur dans les grains[1]. La quantité dissipée peut être calculée à partir du coefficient de restitution du matériau. En outre, lorsque la collision se fait avec une vitesse tangentielle entre les grains, des forces de frottement apparaissent, qui modifie la dynamique de mouvement des grains. L'énergie dissipée due à ces forces est cependant généralement inférieure à l'énergie dissipée par la collision inélastique. Enfin, lorsque le matériau granulaire est immergé dans un fluide, des interactions avec le fluides ont lieu qui sont aussi dissipatives (en particulier dans le cas d'un frottement avec un fluide visqueux, cf. traînée).
État physique d'un matériau granulaire
La matériaux granulaires peuvent présenter, selon l'énergie qu'on leur fourni, des comportements se rapprochant tantôt de ceux d'un solide, tantôt de ceux d'un fluide[2]
Solide
Liquide
Gaz
Influence d'autres interactions
Matériaux cohésifs
Granulaires dans un fluide
Voir aussi
Notes et références
- (en)On dense granular flows, Groupe de Recherche Milieux Divisés, European Physical Journal E, 2004
- Du sac de billes au tas de sable - Etienne Guyon, Jean-Paul Troadec, Odile Jacob, 1994
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