Vulcani de nisip pentru știință
Supus unor șocuri repetate, mediile granulare, cum ar fi nisipul fin sau făina, se transformă într-un câmp de movile distanțate în mod regulat. La fel ca vulcanii, aceste movile aruncă materia din vârful lor, sub efect, nu de lavă, ci de gaz deplasat de nisipul agitat.
Aceste sculpturi de nisip au fost obținute într-o cutie care conține nisip fin. Am lovit în mod regulat partea de jos a cutiei în două locuri. Aspectul unui peisaj montan pe care îl ia nisipul, cu reliefurile și albiile sale, provine din „efectul vulcanului”, fenomen în care aerul deplasat de nisip intervine atunci când sare sub impact, apoi cade.
Fotografiile sunt uneori înșelătoare. În absența unei scale de lungime, ce se poate spune despre fotografia de mai sus: este un peisaj natural, concrețiuni calcaroase, creșteri ale pielii? Nimic din toate astea, ci grămezi de nisip fin într-o cutie. Cum au fost sculptate aceste reliefuri?
Originea acestor movile și brazdele lor este „efectul vulcan”, fenomen care are loc în medii granulare atunci când sunt ridicate și căzute. Mediile granulare sunt ansambluri de particule. Sunt omniprezente: nisip, pământ, pulberi alimentare, pulberi farmaceutice ... până la planeta Saturn al cărui inel principal constă dintr-o multitudine de boabe mici de câțiva centimetri în diametru. În ciuda eforturilor multor oameni de știință, precum Faraday sau Coulomb, și în ciuda progreselor recente, cunoștințele noastre despre comportamentul materialului cerealier continuă să evolueze. Astfel, deși Faraday a observat deja anumite manifestări ale efectului vulcanului cu aproape 200 de ani în urmă, noi doar am îndepărtat roțile dințate.
În 1831, Faraday observase că pe o grămadă de nisip agitată vertical, boabele scapă de vârf înainte de a curge pe laturi, un pic ca lava vulcanilor. Faraday subliniase rolul gazului pus în mișcare de agitația mediului granular. Astăzi, oferim o descriere a ceea ce am numit efectul vulcan, în special datorită analogiilor dintre acest efect și anumite fenomene care apar în lichide. În unele cazuri, nisipul fin se comportă ca apa!
Castel de nisip
Efectul vulcan apare spectaculos atunci când plasați pe un suport subțire, rigid și plat, cum ar fi o placă de sticlă, un strat subțire de pulbere fină și uscată, cum ar fi nisipul sau sarea fină. Idealul este să folosiți un singur strat de particule, dar o grosime de câteva particule este, de asemenea, potrivită pentru observarea fenomenului. Unul dintre capetele plăcii este apoi fixat flexibil (de exemplu, ținându-l între degetul mare și arătător) și o serie de șocuri repetate se aplică la capătul opus, de exemplu., Un șoc pe secundă. Intervalul de timp dintre aceste șocuri poate fi arbitrar, dar amplitudinea acestor șocuri trebuie să fie imperativ constantă.
După zece șocuri, se observă că stratul de pulbere se separă în canale mici, apoi că aceste canale se divid. Boabele se adună apoi în grămezi (vezi figura 2) care, odată formate, nu mai evoluează. Reproducând experimentul cu șocuri de amplitudine mai mare, vedem că mărimea piloților și distanța dintre ele crește. Când stratul depus pe placă este mult mai gros (câțiva milimetri), nu mai observăm o rețea de grămezi, ci o suprafață ondulată de riduri echidistante.
În 1831, Faraday dăduse o interpretare aproximativă fenomenului. Se amuzase făcând să vibreze o grămadă conică de nisip fin, obținută prin aruncarea rapidă a conținutului unui recipient pe un suport orizontal. A indicat faptul că atunci când grămada conică este la înălțime, sub efectul reacției la șocul dat pe placă, aerul este aspirat de jos. Când cade, grămada de nisip alungă aerul. Aerul este parțial evacuat în lateral, dar unele intră în grămadă. Faraday observase că sub acțiunea vibrației și a circulației aerului în interiorul grămezii, anumite particule curg de-a lungul laturilor grămezii de nisip, dispar la baza acestuia, urcă în centrul grămezii, reapar. în partea de sus, apoi cad înapoi pe părțile laterale unde coborâ din nou, începând un nou ciclu (vezi figura 3).
De ce aerul introdus prin aspirație sub teancul de nisip iese în vârf, evacuând particule? De ce nu scapă de pereții laterali care, mai jos, ar fi mai ușor traversați? Să examinăm acest fenomen. Faraday nu a putut trece dincolo de aceste simple observații - în plus, perfect corecte - pentru că nu cunoștea anumite proprietăți ale mediului granular: fenomenul avalanșei, legea frânării unei particule cu un gaz și legea frânării unui gaz prin un mediu poros sau granular.
Astfel, aerul ambiant este responsabil pentru efectul vulcanului. Viteza aerului aspirat sub teancul de nisip este de câțiva centimetri pe secundă. Pentru ca un bob să fie deplasat de acest flux de aer, energia cinetică conferită bobului de curentul de aer trebuie să depășească energia gravitațională. Acesta este cazul boabelor a căror dimensiune este mai mică de aproximativ 100 micrometri. Boabele cu un diametru mai mic de un micrometru au, la temperatura camerei, energie cinetică de ordinul energiei termice: sunt, prin urmare, sensibile la agitația termică și se dispersează imediat ce se acumulează, la fel ca și fumul. Astfel, efectul vulcanului acționează asupra boabelor a căror dimensiune este cuprinsă între 1 și 100 micrometri. Aceste condiții se aplică cerealelor care se mișcă într-un gaz. Într-un lichid, putem observa efectul vulcanului cu boabe mai mari (vom reveni la acest lucru).
Indiferent dacă vă plimbați într-un deșert sau gătiți, puteți constata că panta laturilor grămezilor de nisip, făină, zahăr sau orice alt tip de cereale este întotdeauna aproximativ aceeași. Valoarea exactă a acestui unghi depinde de diverși parametri, cum ar fi modul de formare a grămezii sau condițiile de graniță, de exemplu, dar este, în toate cazurile, aproximativ egal cu 30 de grade. Grămezile de cereale sunt instabile și cea mai mică perturbare poate destabiliza clădirea și poate declanșa o avalanșă pe flancuri. La munte, primăvara, un strigăt al unui alpinist este uneori suficient pentru a scutura covoarele de zăpadă și a declanșa o avalanșă.
O avalanșă de cereale
O insectă mică, antilionul, profită inteligent de proprietățile avalanșelor pentru a-i prinde prada. Într-un mediu nisipos, el sapă o gaură ai cărei pereți sunt înclinați la unghiul avalanșei. Insectele care se aventurează pe această pâlnie instabilă sunt târâte în jos de avalanșa pe care o declanșează și nu pot urca. Furnica ar ajuta chiar la declanșarea avalanșelor aruncând pietricele mici pe pereții înclinați. Această capcană rămâne activă după ce a funcționat: după o avalanșă, peretele este din nou într-o stare instabilă, propice unei noi avalanșe.