Le sable et la physique

Lorsque vous prenez du sable dans votre main, celui-ci s'échappe, il coule. Au contraire, humide, le sable devient cohérent, il devient solide et une voiture peut rouler sur une plage à marée basse.

Quel est l'état de matière du sable ?

Tout d'abord défnissons les différents état de matière concernés.

L'état solide est l'état de la matière dans lequel il n'y a pas de liberté de mouvement des atomes, des ions ou des molécules qui le constituent. Le solide présente certaines propriétés :

• >Il possède une forme propre
• >Il a de même un volume propre

L'état liquide est l'état de matière dans lequel la matière possède une forme de fluide : les molécules sont faiblement liées, ce qui rend les liquides parfaitement déformables.

• >il n'a pas de forme propre ; il ne peut être saisis, il coule : c’est un fluide qui prend la forme des récipients qui le contiennent
• >il peut être considéré comme (difficilement) compressible
• >sa quantité conserve son volume quand on la transvase

Revenons au sable, individuellement, chaque grain possède sa propre forme, petit ou non il reste un solide.  Néanmoins, si du sable est placé dans une bouteille,et que l'on incline celle-ci, le sable s'écoule comme un liquide. Le sable possède alors des propriétés de deux état de matière différents, le solide et le liquide. Cet état alliant ces caractéristiques est nommé l'état granulaire.

Le sable est donc un matériaux granulaire, définissable grâce aux prpriétés suivantes:

Fluide
- il s'écoule
- il épouse les parois du récipient dans lequel on le verse

Cependant, ce n'est pas un fluide parce que sa surface n'est pas plane, quelle que soit l'inclinaison du récipient ( à la différence d'un liquide qui conserve son équilibre avec une gîte à zéro degré). Son plan d'inclinaison, ou angle de talus, dépend des propriétés du matériau et notamment du taux d'humidité. De manière très générale, dans un environnement sec, l'angle de talus est en moyenne de 30 degrés. (ou angle d'avalanche)

Ici, de l'eau est placée dans un récipient avec un certain angle. On remarque que la surface de l'eau reste horizontale, propriété de l'état liquide.

Mêmes conditions, cependant l'eau est remplacée par du substrat d'aquarium (comparable à du sable). On remarque que la surface est d'une part non droite, mais celle-ci ne cherche pas non plus à être horizontale à l'image d'un liquide. Nous illustrerons cet angle plus tard, dans "La mécanique du sable".

Ces deux simples petites manipulations suffisent à écarter le sable des liquides. De plus nous savons que le sable devient liquide à une température de 1550°C, son point de fusion, devanant ainsi du verre.

La composition du sable provient essentiellement de son origine.  En effet on distingue les sables qui viennent de l’érosion des roches et ceux provenant des sédiments s’accumulant au fond des océans ou sur certaines plages. (sable coquiller, coraliens)

Les premiers sont composés d’une multitude de minéraux qui composaient déjà les roches avant qu’elles se soient effritées.  Ces minéraux peuvent être du quartz, de l’olivine, du feldspath, du mica et bien d’autres. Tous ces minéraux appartiennent à la famille des Silicates ; sel combinant principalement du silicium et de l’oxygène avec d’autres oxydes métalliques.

Molécule de quartz, sur Rastop. En rouge les atomes d'oxygène, en orange le silicium. (SiO₂)

Molécule de feldspath sur Rastop, en rouge les atomes d'oxygène,en orange ceux de silicium et en gris les atomes d'aluminium.

Il existe 3 types de feldspath :Le feldspath sodique, NaAl Si₃O₈ , le feldspath calcique, CaAl₂ Si₂O₈ , le feldspath potassique, KAlSi₃O₈ .

Les derniers évoqués possèdent quant à eux des grains calcaires, issus de squelettes d’organismes et des fragments de coquillages ou des coraux. Tous ces éléments ont été mélangé, amené par l’action des vagues et des organismes broyeurs.

   Sable coquiller grossier composé de gros fragments de coquillages.

Le sable avec ses propriétés à mi-chemin entre le liquide et le solide possède des caractéristiques singulières. En effet on peut observer aisément une de ces caractéristiques en effectuant un montage expérimental (voir vidéo). On remarque grâce à cela que le sable s’écoule à partir d’un certain angle, grossièrement le même, et se stabilise à partir d’un autre. Ces angles sont appelés « angle d’avalanche » ; à partir de cet angle le sable s’écoule et « angle de repos » ; où le sable se stabilise. Avec différents types de sable compte tenu de leur forme (plus ou moins circulaire) et de leur taille différente ces angles varient légèrement (entre 30° et 40° environ). Cependant en mouillant le sable, tout le monde sait qu’on peut fabriquer ainsi des châteaux de sables. Cela voudrait dire alors que l’angle d’avalanche et de repos sont complétement différent en présence d’eau .Nous allons donc par la suite étudier le phénomène qui permet de construire ce genre de structures.

Lorsqu’on humidifie légèrement le sable, il est rendu possible comme dit précédemment de construire des châteaux de sables. En effet l’eau fait intervenir l’adhésion capillaire qui permet de garder deux corps solidaire l’un envers l’autre par l’intermédiaire d’un fin film de liquide. Quelques exemples concrets qui sont expliqués par ce phénomène ; les cheveux collés en sortant de la douche, et surtout la cohésion entre les grains de sable. L’eau forme alors un pont capillaire faisant intervenir un autre phénomène appelé la pression de Laplace. La pression de Laplace est vérifiée avec l’équation  

où γ {\displaystyle \gamma } y est la tension de surface entre le liquide et le solide. L'interface entre le liquide et le grain est courbée avec un rayon de courbure – R. En effet, la courbure est tournée vers l'extérieur, elle est donc négative. Il y a donc une pression atmosphérique plus faible dans le liquide qui joint les deux grains, cette différence de pression engendre une attraction des deux grains.

 Nous avons par la suite essayé d’observer au microscope ces ponts capillaires. Notre but était de parvenir à observer en gros ces ponts. Nous avions du sable de plage venant de l’île de Ré et de la Bretagne ainsi que du sable « de verre » constitué de grains de verres<1mm. Après un premier essai infructueux, nous avons décidé de colorer de l’eau avec du bleu de méthyle. Malheureusement nous n’avons pas réussi à avoir l’image que nous voulions avoir.

Le matériel utilisé pendant l'experience

Voici l’une des photos prises au cours de l’observation :

De plus, nous pouvons citer d'autres phénomènes qui rentrent en compte mais où le facteur de l'eau n'est pas indispensable comme:

-les forces de Van derr  Walls  qui est un terme regroupant plusieurs interactions qui se produisent entre les molécules et les particules.

-les forces électrostatiques où deux corps chargés peuvent s'attirer si leur charge est différente ou se répulser dans le cas contraires ce qui contribue à la cohésion des grains.

- l'effet de géométrie ou de surface, tout simplement par le fait qu'avec des particules qui s'emboitent de par leur relief cela participe à la cohésion comme le montre le shéma

- Les liaisons chimiques qui génèrent des forces de cohésions importantes notamment avec les liaisons hydrogènes avec les atomes O,N,F,Cl etc...