Coopération entre deux intrus évoluant côte à côte dans un milieu granulaire

Dans les colonies d’oiseaux, les bancs de poissons et les pelotons cyclistes, des interactions importantes se produisent entre les individus à travers le fluide environnant. Ces interactions sont bien comprises dans les fluides tels que l’air et l’eau, mais que se passe-t-il lorsque des objets se déplacent dans quelque chose comme du sable ? Il s’avère que des interactions similaires se produisent dans les matériaux granulaires – comme la terre ou le sable – et jouent un rôle crucial dans les contextes quotidiens. Pensez aux charrues qui traversent les terres agricoles, aux animaux creusant sous terre, aux racines poussant dans le sol ou même aux robots explorant la surface de Mars.

Récemment, nous avons fait une découverte fascinante : lorsque deux objets – ce que nous appelons des « intrus » – se déplacent côte à côte à travers des matériaux granulaires, ils peuvent réellement s’entraider en réduisant la résistance à laquelle ils sont confrontés. Cet effet coopératif a été découvert par une équipe de chercheurs de l’École de génie mécanique de l’Université de Campinas (UNICAMP) au Brésil et du laboratoire FAST, CNRS, Université Paris-Saclay en France.

Pour étudier cela, nous avons mis en place une expérience utilisant des objets sphériques immergés dans des billes de verre pour reproduire un milieu granulaire. L’objectif était de tirer ces objets à une vitesse constante et de mesurer la force de traînée qu’ils subissaient lorsqu’ils se déplaçaient à travers les grains. Alors que des études antérieures s’étaient penchées sur les forces latérales entre les objets, notre équipe s’est demandé si le fait de se déplacer ensemble pourrait également réduire la force de traînée.

Quelques simulations numériques intrigantes réalisées par deux de nos chercheurs à l’UNICAMP, DD Carvalho et EM Franklin, publié dans le Physique des Fluides en 2022, nous avons suggéré que c’était possible, mais nous voulions tester cela dans le monde réel.

Ce que nous avons découvert était passionnant : lorsque les deux intrus étaient proches l’un de l’autre, la traînée exercée sur chacun d’eux diminuait considérablement, jusqu’à 30 % par rapport à lorsqu’ils étaient plus éloignés. Et plus ils étaient enfouis profondément dans la matière, plus cet effet devenait prononcé. L’explication ? Lorsque deux objets se déplacent côte à côte, le mouvement de l’un perturbe les chaînes de force entre les grains autour de l’autre. Cette rupture du contact des grains réduit la résistance globale rencontrée par chaque objet.

Au-delà de la simple observation de cet effet, nous avons également développé un modèle semi-empirique pour le décrire. Le modèle repose sur l’idée que les interactions entre des objets rapprochés perturbent ces chaînes de forces granulaires, facilitant ainsi leur déplacement. Cette étude, maintenant publié dans Fluides d’examen physiquemet en évidence un aspect jusqu’alors sous-exploré de la dynamique granulaire : le mouvement coopératif de plusieurs objets.

À mesure que la recherche sur cette dynamique progresse, elle pourrait conduire à de nouvelles technologies et techniques de navigation dans les matériaux granulaires, sur Terre et au-delà, offrant potentiellement des solutions plus efficaces pour diverses industries et efforts scientifiques.

Cette histoire fait partie de Dialogue Science Xoù les chercheurs peuvent rendre compte des résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d’informations sur Science X Dialog et comment y participer.

Douglas De Carvalho est doctorant à l’École de Génie Mécanique de l’Université de Campinas (UNICAMP), au Brésil et il mène des simulations numériques et des expériences sur des systèmes granulaires. Il a réalisé les expériences présentées dans cet article. Ces travaux ont été dirigés par Baptiste Darbois Texier, chercheur au laboratoire Fluides, Automatiques et Systèmes Thermiques (FAST) de l’Université Paris-Saclay. Ses recherches portent sur la mécanique des milieux granulaires et plus particulièrement sur la rhéologie de ces matériaux et les problèmes de locomotion dans ce contexte.