La matière en désordre , livre ebook

Sous la direction de Étienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Daniel Bideau
La matière en désordre
Copyright

© EDP Sciences, Les Ulis, 2014
ISBN papier : 9782759810697 ISBN numérique : 9782759830206
Composition numérique : 2023
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Présentation

La plupart des matériaux qui nous entourent présentent un désordre et des hétérogénéités de tailles très variables. La Science et le Génie de ces systèmes font l’objet de cet ouvrage qui s’adresse à un large public .
Une simple moyenne ne suffit souvent pas, le plus souvent, pour rendre compte des effets du désordre, qui nécessite des approches théoriques examinées brièvement dans la première partie.
Nous décrivons par la suite diverses classes de matériaux désordonnés en commençant par l’étude géométrique et mécanique des milieux granulaires qui servent de modèle de référence des effets du désordre, et qui interviennent, de plus, dans de nombreux systèmes rencontrés dans la nature et des domaines d’applications.
L’étude des milieux poreux et des suspensions prend en compte l’existence de phases fluides entre les grains dans une approche mixte mécanique et hydrodynamique.
Le désordre conduit à des propriétés d’évolution temporelle lente (vieillissement). Nous examinons les caractéristiques physicochimiques de plusieurs classes de matériaux désordonnés qui présentent ces caractéristiques : les mousses , les matériaux colloïdaux (la « matière molle »), et les verres dont le statut intermédiaire entre solide et liquide n’est pas totalement compris.
Des annexes précisent des notions fondamentales de base communes à ces systèmes.
Avec les contributions de Laurence Bergougnoux, Isabelle Cantat, Michel Cloitre, Renaud Delaunay, Jean Yves Delenne, Yoël Forterre, Elisabeth Guazzelli, Alex Hansen, Walter Kob, Jérome Lambert, Véronique Lazarus, Roger Maynard, Olivier Pouliquen, Fahrang Radjai et Dominique Salin.
Ecoutez l’émission Continent Sciences, par Stéphane Deligeorges (France Culture, lundi 17 novembre 2014)
Table des matières Introduction générale (Étienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Daniel Bideau) Le passé Le grand désordre Le plan Partie 1. La théorie Présentation (Étienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Daniel Bideau) Chapitre 1. Endommagement, rupture (Véronique Lazarus) 1.1. Un peu d histoire 1.2. La mécanique de la rupture fragile 1.3. Importance du désordre matériel dans la rupture 1.4. Conclusion Remerciements Chapitre 2. La percolation (Alex Hansen et Étienne Guyon) 2.1. Introduction 2.2. Les chemins dans un paysage : puis-je me rendre continûment de A à B  ? 2.3. Les sites occupés 2.4. Statistique d amas 2.5. Structures fractales 2.6. Propriétés de transport : conductivité électrique et rigidité mécanique 2.7. Transition sol-gel dans les solutions de polymères 2.8. Retour aux circuits électriques : la conductance de conducteurs très désordonnés 2.9. Percolation d invasion 2.10. Percolation sous gradient 2.11. Conclusion Chapitre 3. Ondes et désordre (Roger Maynard) 3.1. Introduction 3.2. Mouvement brownien d un paquet d onde : libre parcours moyen l 3.3. Tavelures : longueur de cohérence l* 3.4. Désordre et moyenne d ensemble 3.5. Champ moyen et intensité moyenne 3.6. Le cône de rétrodiffusion 3.7. Spectroscopie par diffusion des ondes 3.8. Localisation des ondes par le désordre 3.9. Imagerie en milieu désordonné 3.10. Conclusion : vive le désordre ! Remerciements Partie 2. Les matériaux granulaire Présentation (Étienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Daniel Bideau) Chapitre 4. Les empilements granulaires (Daniel Bideau) 4.1. Introduction 4.2. Les empilements 4.3. Les contacts et leur désordre 4.4. La compaction 4.5. Des matériaux à base de milieux granulaires 4.6. Conclusion Chapitre 5. Écoulements granulaires (Yoël Forterre et Olivier Pouliquen) 5.1. Qu est-ce qu un écoulement granulaire ? 5.2. Quand coulent les grains ? Seuil de mise en mouvement 5.3. Comment coulent des grains ? Une description hydrodynamique 5.4. Les écoulements de milieux granulaires plus complexes 5.5. Conclusion Chapitre 6. États d équilibre, textures et chaînes de force dans les milieux granulaires (Farhang Radjaï et Jean-Yves Delenne) 6.1. Introduction 6.2. Frottement interne 6.3. Dilatance 6.4. Effet de la cohésion 6.5. Texture granulaire 6.6. Réseaux de force 6.7. Conclusion Remerciements Partie 3. Des suspensions aux milieux poreux Présentation (Étienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Daniel Bideau) Du liquide au solide Hétérogénéité et échelles de taille Suspensions, poreux et physique du désordre Chapitre 7. Les milieux poreux (Dominique Salin et Jean-Pierre Hulin) 7.1. Introduction 7.2. Approches classiques des poreux 7.3. Écoulements monophasiques 7.4. Écoulements diphasiques 7.5. Dispersion et mélange 7.6. Conclusion Chapitre 8. Suspensions (Laurence Bergougnoux et Élisabeth Guazzelli) 8.1. Introduction 8.2. Sédimentation 8.3. Écoulements de cisaillement et rhéologie 8.4. Conclusion Partie 4. Le temps des matériaux désordonnés Présentation (Étienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Daniel Bideau) Chapitre 9. Les mousses liquides : évolution par diffusion gazeuse (Isabelle Cantat, Renaud Delannay et Jérôme Lambert) 9.1. Introduction 9.2. Règle de Plateau et structure d une mousse 9.3. Diffusion du gaz 9.4. De quelles grandeurs géométriques dépend l évolution du volume d une bulle ? 9.5. Imagerie des mousses 9.6. Structure statique d une mousse 9.7. Valeur des taux de croissance 9.8. Évolution globale d une mousse 9.9. Régime invariant d échelle 9.10. Influence du vieillissement sur le comportement mécanique 9.11. Conclusion Chapitre 10. Grains et pâtes : structure, dynamique et écoulement des dispersions colloïdales (Michel Cloitre) Introduction 10.1. Les colloïdes entre chimie et physique 10.2. Diagramme de phase et structure 10.3. Transition solide-liquide, écoulement, vieillissement Chapitre 11. Les verres (Walter Kob) 11.1. Introduction 11.2. Une brève histoire de verres 11.3. Qu est-ce qu un verre ? 11.4. Les propriétés des verres 11.5. Les grandes questions scientifiques 11.6. Conclusion Remerciements Annexe A. Mouvement brownien (Étienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Daniel Bideau) Annexe B. Imageries (Étienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Daniel Bideau) Annexe C. Capillarité (Étienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Daniel Bideau) Annexe D. Mécanique (Étienne Guyon, Jean-Pierre Hulin et Daniel Bideau) D.1. Solide D.2. Liquide D.3. Rhéologie D.4. Tribologie Index A B C D E F G H I J L M O P R S T V Les contributeurs
Introduction générale

Étienne Guyon

Est physicien de la matière condensée et de la mécanique des fluides. Il a travaillé sur divers problèmes de systèmes désordonnés en liaison avec des notions de percolation : la gélation, l hydrodynamique des milieux poreux, la mécanique des matériaux désordonnés, les milieux granulaires. Ancien directeur du Palais de la Découverte puis de l Ecole normale supérieure, il est actuellement chercheur à l ESPCI dans le laboratoire Physique et mécanique des milieux hétérogènes.
Jean-Pierre Hulin

Est chercheur au laboratoire Fluides, Automatique et Systèmes thermiques (FAST) à Orsay. Il est l auteur avec É. Guyon et L. Petit de l ouvrage classique hydrodynamique physique. Ses recherches portent sur les écoulements et le transport en milieux poreux et fracturés, les écoulements granulaires et le mélange. Il a en particulier découvert l étude des milieux poreux par des recherches sur l hélium superfluide ainsi que par son activité de recherche dans la Compagnie de prospection Schlumberger.
Daniel Bideau

Est professeur émérite de Physique à l Université de Rennes-1. Expérimentateur en physique de la Matière Condensée, il a travaillé sur les propriétés physiques et géométriques des milieux granulaires. Avec Stéphane Roux, il a codirigé le GdR Physique des Milieux Hétérogènes Complexes Macroscopiques dont ont fait partie la majorité des auteurs de cet ouvrage.

Le passé
L es opérations de mise en forme de matériaux naturels et la métallurgie permettent d identifier une longue histoire des âges de l humanité, mais ce n est que à l époque contemporaine à partir des travaux des cristallographes de la fin du XVIII e siècle que se constitue une science de la matière qui part de l invariance des angles de faces cristallines en fonction de la taille : un cristal se brise accidentellement et ses morceaux présentent les mêmes angles de face. Cette observation, décrite à plusieurs reprises dans l histoire des sciences, trouve une explication avec les travaux de l abbé René Just Hauÿ, dans la période de la Révolution [1] . Partant de la constatation que l on retrouvait une correspondance exacte avec des formes d empilements périodiques de volumes identiques, il crée la cristallographie à partir de constructions à base de parallélépipèdes (« les molécules intégrantes »).
La physique des solides, qui se développera tout particulièrement à partir des années 1950, en s appuyant sur les données de la radiocristallographie, utilisera cette périodicité dans ses développements théoriques : les phonons qui donnent accès aux mesures thermiques et acoustiques, les théories de bandes pour leur structure électronique [2]
« Les cristaux sont comme les humains : ce sont les défauts qui les rendent intéressants. »
Cette boutade est due au physicien britannique Charles Frank qui, aux côtés du physicien français Jacques Friedel, mettra en avant l importance d introduire du désordre dans cette belle organisation au cours la seconde moi