Les glissements de terrain sont un exemple frappant d’érosion. Lorsque les liens qui maintiennent ensemble les particules de terre et de roche sont submergés par une force – souvent sous forme d’eau – suffisante pour séparer la roche et le sol, cette même force rompt les liens avec d’autres roches et sols qui les maintiennent en place. Un autre type d’érosion consiste à utiliser un petit jet d’air pour enlever la poussière d’une surface. Lorsque la force de l’air turbulent est suffisamment forte pour rompre les liens qui maintiennent les particules de poussière individuelles, ou grains, ensemble et les faire adhérer à la surface, c’est aussi de l’érosion.
Dans l’industrie pharmaceutique, la dynamique de cohésion/érosion est extrêmement importante pour transformer avec succès les poudres en médicaments. Ils jouent également un rôle clé dans un autre exemple, assez éloigné : l’atterrissage d’un engin spatial sur une surface, telle que la lune. Au fur et à mesure que le vaisseau spatial s’abaisse, l’échappement de ses moteurs provoque l’érosion et le transport du matériau granulaire à la surface. Le matériau déplacé forme un cratère, qui doit être de dimensions correctes ; trop étroit ou trop profond, et cela fera basculer le vaisseau spatial.
Nous rencontrons souvent des matériaux divisés composés de petites particules – pensez au sable sur la plage, au sol, à la neige et à la poussière – qui peuvent être affectés par plus que de simples forces de frottement, partageant des forces de cohésion supplémentaires avec leurs voisins. Si la cohésion n’agit qu’entre une particule et ses voisines immédiates, elle produit aussi des effets macroscopiques ; par exemple, en provoquant l’agrégation de morceaux de matériau divisés et en ajoutant une résistance supplémentaire au composite. La cohésion est ce qui provoque l’agglutination des poudres, comme la farine, et nous permet de faire des châteaux sur la plage en ajoutant une petite quantité d’eau au sable sec.
Alban Sauret, professeur associé au département de génie mécanique de l’UC Santa Barbara, s’intéresse vivement à ces processus. Publié dans la revue Liquides d’examen physique, son groupe, y compris la première année de doctorat. étudiant Ram Sharma et ses collègues en France, présentent de nouvelles recherches examinant comment la cohésion entre les particules peut influencer le début de l’érosion. En utilisant une technique récemment développée qui leur permet de contrôler la cohésion entre les grains modèles, puis en réalisant des expériences dans lesquelles ils ont utilisé un jet d’air pour déplacer les grains, ils ont pu mieux comprendre la cohésion, qui maintient les particules ensemble ; l’érosion, qui les fait se séparer; et le transport, qui implique la distance parcourue par les particules déplacées.
La recherche propose une approche pour quantifier comment l’ampleur de la cohésion modifie la quantité de stress local nécessaire pour déclencher l’érosion. Cette compréhension pourrait être utilisée en génie civil, par exemple, pour mesurer la résistance et la stabilité du sol dans une zone où la construction est prévue. Mais les chercheurs espèrent également que leur modèle fournira des preuves empiriques d’une théorie physique de l’érosion qui inclut la cohésion et est pertinente pour un large éventail d’applications, allant du dépoussiérage des panneaux solaires (la poussière peut réduire la production d’énergie jusqu’à 40 %) faire atterrir des fusées sur d’autres planètes.
En présence de forces externes, telles que le vent ou l’eau, la cohésion entre les particules peut être surmontée. Le début de l’érosion fait référence au point auquel la force de traînée, exercée par le fluide ou l’air, fait que les particules perdent le contact avec le lit granulaire, se séparant à la fois les unes des autres en tant que voisines et de la surface à laquelle elles adhèrent. Cela reflète notre compréhension actuelle assez élémentaire de l’érosion : si les forces externes locales sur une particule sont plus importantes que les forces qui la maintiennent en place, elle s’érode – une autre façon de dire qu’elle est déplacée.
Lorsque les fluides ou l’air appliquent des contraintes plus importantes, par exemple en se déplaçant assez rapidement pour devenir des écoulements turbulents, ils peuvent provoquer une plus grande érosion. Une gamme extrêmement large de configurations d’écoulement turbulent agissant sur une gamme tout aussi large de matériaux conduit à l’érosion que nous voyons, au niveau macro, sous la forme d’énormes canyons, usés pendant des éternités par des rivières turbulentes, et de gigantesques dunes de sable, façonnées par des courants d’air turbulents. Étonnamment, étant donné que l’érosion entraîne le cycle des sédiments et remodèle constamment la surface de la Terre, la compréhension actuelle des forces d’érosion n’est pas suffisante pour expliquer la riche variété des reliefs qui en résultent.
Bien que l’érosion des grains non cohésifs puisse être prédite de manière satisfaisante, l’interaction entre les écoulements turbulents et l’érosion en présence de cohésion inter-particules n’a pas été bien étudiée. Mais cela mérite d’être étudié, dit Sauret, car « la cohésion est partout ! Si vous modélisez quelque chose d’aussi simple que la façon de nettoyer une surface, par exemple, et que votre modèle ne tient pas correctement compte de la cohésion, vous finirez probablement par adopter une mauvaise approche. – et ont toujours une surface sale. »
Pour contrôler la cohésion entre les particules, les chercheurs ont appliqué un revêtement polymère sur des sphères de verre identiques (analogue pour les particules) d’un diamètre de 0,8 millimètre. L’épaisseur du revêtement pourrait être augmentée ou diminuée précisément pour augmenter ou diminuer la cohésion. L’écoulement turbulent est modélisé par un jet d’air variable dirigé vers le lit granulaire.
Les expériences ont permis à l’équipe de déterminer une loi d’échelle pour le seuil auquel l’érosion surmonte la cohésion interparticulaire, quelles que soient les spécificités du système, telles que la taille des particules. En quantifiant la relation entre ces deux forces, la recherche présente une technique qui peut être utilisée pour prédire le seuil d’érosion pour différentes tailles de grains.
Les résultats de cette étude, dit Sauret, peuvent être appliqués plus directement au processus d’élimination des sédiments cohésifs, tels que la poussière et la neige, de surfaces telles que les panneaux solaires.
Ram Sudhir Sharma et al, Erosion of cohesive grains by an impacting turbulent jet, Liquides d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevFluids.7.074303