La matière en désordre

Daniel Bideau, Jean-Pierre Hulin, Étienne Guyon

Description

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.

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Sujets

• Sciences expérimentales
• Physique
• Chimie
• Chimie
• Techniques
• Automatisation et Contrôle
• Matériaux
• Sciences et techniques
• Chemistry
• Matériau
• Science

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 07 juillet 2014
• Nombre de lectures: 2
• EAN13: 9782759816446
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 36 Mo

Extrait

ÉTIENNE GUYON, JEAN-PIERRE HULIN
LA MATIÈRE EN DÉSORDRE
ET DANIEL BIDEAU
PHYSIQUE
PHYSIQUE PHYSIQUES A V O I R S ACTUELS
LA MATIÈRE EN DÉSORDRE
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. LA MATIÈRE 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. EN DÉSORDRE
Des annexes précisent des notions fondamentales de base communes à ces systèmes.
Étienne Guyon, est chercheur au laboratoire Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes (PMMH) de l’ESPCI.
Ses recherches concernent le désordre de la matière et la mécanique des fluides et des solides. Il est actif dans la
médiation de la Science.
Jean-Pierre Hulin, est chercheur au laboratoire Fluides, Automatique et Systèmes thermiques (FAST) à Orsay. Ses
recherches portent sur les écoulements et le transport en milieux poreux et fracturés, les écoulements granulaires, les
instabilités hydrodynamiques et le mélange.
Daniel Bideau, est actuellement professeur émérite à l’université de Rennes 1 et physicien à l’Institut de Physique de
Rennes. Il travaille sur les propriétés physiques des milieux granulaires et plus généralement sur les systèmes désordonnés.
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, Olivier Pouliquen,
Fahrang Radjai et Dominique Salin.
Série Physique et collection dirigée par Michèle LEDUC
SAVOIRS ACTUELS
CNRS ÉDITIONS
www.cnrseditions.fr www.edpsciences.org
ÉTIENNE GUYON,
Création graphique : Béatrice Couëdel JEAN-PIERRE HULIN
ET DANIEL BIDEAUCes ouvrages, écrits par des chercheurs, reflètent des
enseignements dispensés dans le cadre de la formation à la
recherche. Ils s’adressent donc aux étudiants avancés, aux
chercheurs désireux de perfectionner leurs connaissances ainsi 37 €
qu’à tout lecteur passionné par la science contemporaine.ISBN EDP Sciences 978-2-7598-1069-7
ISBN CNRS ÉDITIONS 978-2-271-08243-5 CNRS ÉDITIONS
La matière en désordre-v4.indd 1 18/06/14 11:41Étienne Guyon, Jean-Pierre Hulin
et Daniel Bideau
La matière en désordre
SAVOIRS ACTUELS
EDP Sciences/CNRS ÉditionsNous tenons à remercier chaleureusement les contributeurs de ce livre.
Leurs parcours scientifiques rappelés en fin d’ouvrage (cf. page 229)
témoignent de la diversité des recherches autour de la Matière en
désordre :
Laurence Bergougnoux, Isabelle Cantat, Michel Cloitre, Renaud
Delannay, Jean-Yves Delenne, Yoël Forterre, Élisabeth Guazzelli,
Alex Hansen, Walter Kob, Jérôme Lambert, Véronique Lazarus,
Roger Maynard, Olivier Pouliquen, Fahrang Radjai et Dominique
Salin.
Étienne, Jean-Pierre et Daniel
Illustration de couverture : Détail d’une image 3D en fausses couleurs d’une
de mousse liquide après analyse en tomographie X à l’ESRF (source : Jérôme
Lambert).
Imprimé en France.
c 2014, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf,
91944 Les Ulis Cedex A
et
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ISBN EDP Sciences 978-2-7598-1069-7
ISBN CNRS Éditions 978-2-271-08243-5Table des matières
Introduction générale 1
Partie 1 : La théorie 5
1 Endommagement, rupture 9
1.1 Unpeud’histoire ......................... 10
1.2 Lamécaniquedelarupturefragile ............... 12
1.2.1 Contextegénéral..................... 12
1.2.2 Concentration de contraintes en pointe de fissure . . . 13
1.2.3 Seuil de propagation................... 16
1.2.4 Trajets de . . . .............. 18
1.2.5 Conclusion ........................ 20
1.3 Importancedudésordrematérieldanslarupture ....... 21
1.3.1 Multifissuration 21
1.3.2 Interaction d’une macrofissure avec des défauts
microscopiques...................... 23
1.3.3 Endommagement .................... 26
1.4 Conclusion ............................ 27
2 La percolation 29
2.1 Introduction 29
2.2 Les chemins dans un paysage : puis-je me rendre continûment
de A à B? ............................. 30
2.3 Lessitesoccupés ......................... 31
2.4 Statistique d’amas . . ...................... 33
2.5 Structuresfractales........................ 35
2.6 Propriétés de transport : conductivité électrique et rigidité
mécanique 37
2.6.1 Exposants critiques de conductivité électrique .... 37
2.6.2 Comparaison avec l’approche classique de champ
moyen........................... 38
2.6.3 Percolationmécanique ................. 39
2.7 Transitionsol-geldanslessolutionsdepolymères ....... 40
2.8 Retour aux circuits électriques : la conductance de conducteurs
trèsdésordonnés ......................... 42ii La matière en désordre
2.9 Percolationd’invasion ...................... 43
2.10 Percolationsousgradient .................... 43
2.11 Conclusion ............................ 45
3 Ondes et désordre 47
3.1 Introduction 47
3.2 Mouvement brownien d’un paquet d’onde : libre parcours
moyen l .............................. 48
∗3.3 Tavelures : longueur de cohérence l .............. 48
3.4 Désordreetmoyenned’ensemble ................ 50
3.5 Champmoyenetintensitémoyenne............... 51
3.6 Lecônederétrodiffusion..................... 52
3.7 Spectroscopiepardiffusiondesondes 53
3.8 Localisationdesondesparledésordre ............. 55
3.9 Imagerie en milieu désordonné . . . .............. 57
3.9.1 Miroir à retournement temporel ............ 58
3.9.2 Imagerie passive ou la cohérence au milieu du
brouhaha ......................... 58
3.9.3 Manipulation de front d’onde en milieu
désordonné ........................ 61
3.10 Conclusion:viveledésordre! .................. 62
Partie 2 : Les matériaux granulaires 65
4 Les empilements granulaires 67
4.1 Introduction............................ 67
4.2 Lesempilements ......................... 68
4.2.1 Empilementordonné,désordonné,aléatoire ...... 69
4.2.2 Comment caractériser expérimentalement les
empilements? ...................... 73
4.3 Lescontactsetleurdésordre .................. 74
4.3.1 Lenombredevoisinsetlescontacts .......... 74
4.3.2 Désordredecontact ................... 76
4.4 Lacompaction .......................... 77
4.5 Des matériaux à base de milieux granulaires 78
4.5.1 Le frittage . . 78
4.5.2 Lebéton ......................... 79
4.5.3 Lesgrès 81
4.6 Conclusion ............................ 82
5 Écoulements granulaires : comment coulent des grains 85
5.1 Qu’est-cequ’unécoulementgranulaire? ............ 85
5.2 Quand coulent les grains ? Seuil de mise en mouvement . . . 88
5.3 Comment coulent des grains ? Une description
hydrodynamique ......................... 90Table des matières iii
5.4 Les écoulements de milieux granulaires plus complexes .... 94
5.4.1 Milieux polydisperses .................. 94
5.4.2 cohésifs ..................... 96
5.4.3 Milieux immergés .................... 96
5.5 Conclusion ............................ 98
6 États d’équilibre, textures, et chaînes de force dans les
milieux granulaires 101
6.1 Introduction 101
6.2 Frottement interne . . ...................... 102
6.3 Dilatance ............................. 107
6.4 Effetdelacohésion........................ 108
6.5 Texturegranulaire 110
6.5.1 Connectivitéduréseaudescontacts .......... 110
6.5.2 Anisotropiedelatexture ................ 113
6.6 Réseauxdeforce ......................... 115
6.6.1 Hétérogénéitédesforces................. 115
6.6.2 Anisotropiedesforces .................. 119
6.6.3 Broyageetrupturedesgrains ............. 120
6.7 Conclusion ............................ 121
Partie 3 : Des suspensions aux milieux poreux 123
7 Les milieux poreux 125
7.1 Introduction 125
7.2 Approchesclassiquesdesporeux ................ 126
7.3 Écoulementsmonophasiques................... 129
7.3.1 Effetsdeseuildepercolation .............. 129
7.3.2 Milieux à large distribution des tailles de pores.... 131
7.3.3 fracturés..................... 131
7.4 Écoulementsdiphasiques 133
7.5 Dispersionetmélange ...................... 135
7.5.1 Dispersionetmarcheauhasard ............ 135
7.5.2 Dispersionnormale .............