Les scientifiques savent enfin pourquoi le sable d’un sablier peut soudainement arrêter de couler

C’est un phénomène dont on peut faire facilement l’expérience : lorsqu’on verse du sable, du riz ou du blé dans un entonnoir, il peut soudainement s’arrêter de couler. Il en va de même du sable dans un sablier. Pendant longtemps, les scientifiques n’ont pas trouvé d’explication précise à ce phénomène. Mais cette explication a enfin été trouvée.

Un phénomène étonnant

Dans le domaine de la science, les matériaux granulaires sont très particuliers. Bien que ces matériaux – qui sont constitués d’un grand nombre de particules ou de grains – soient considérés comme étant à l’état solide, ils peuvent également se comporter comme un liquide. En effet, alors que les matériaux granulaires peuvent résister à la déformation et former des tas en tant qu’élément solide, ils peuvent également couler à la manière d’un liquide. Certains matériaux granulaires sont même compressibles, comme du gaz.

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Parmi les exemples courants de matériaux granulaires figurent notamment le sable, le riz, le blé ou encore la neige. En dehors de leurs multiples propriétés, il y a également un phénomène intéressant concernant les matériaux granulaires que les scientifiques cherchent à décoder depuis longtemps. Connu sous le nom de compactage granulaire, ce phénomène se produit lorsqu’un matériau granulaire qui coule comme un liquide à travers un étranglement cesse de couler et passe à un état complètement solide.

Il a également été constaté que cette transition entre le moment où un matériau granulaire se comporte comme un liquide pour se comporter comme un solide devient plus probable quand la vitesse d’écoulement est plus rapide, mais aussi quand l’écoulement est soumis à un tapotement. Mais le plus important étant qu’on ne sait pas exactement pourquoi ce phénomène se produit. En effet, pendant longtemps, les scientifiques ont cherché à comprendre l’origine de ce blocage. La compréhension de ce phénomène est essentielle, dans la mesure où cela peut interférer dans l’usage industriel de ces matériaux, entrainant notamment des blocages dans les chaînes de production.

Une nouvelle compréhension de la physique

Dans une nouvelle étude – dont les résultats ont été publiés dans la revue The European Physical Journal E – deux chercheurs ont enfin apporté une solution à ce problème. Pour ce faire, Onuttom Narayan et Harsh Mathur ont effectué des simulations en utilisant des données numériques de précédentes recherches sur divers matériaux granulaires. Ils ont notamment fait des comparaisons dans le comportement des matériaux granulaires dans différentes situations en se basant sur un modèle mathématique appelé la théorie des matrices aléatoires. Notons que ce modèle mathématique est utilisé pour décrire des systèmes physiques comportant de nombreuses variables aléatoires.

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Cette méthode leur a permis de dévoiler qu’il existe effectivement une distribution spécifique de probabilités statistiques connue sous le nom de loi de Wishart qui permet de reproduire correctement les propriétés statistiques universelles de la transition de comportement liquide à solide des matériaux granulaires. Avec cette nouvelle compréhension de ce phénomène, les deux chercheurs ont même réussi à développer un modèle qui permet de décrire les propriétés des matériaux granulaires lorsqu’ils sont proches du point de blocage, mais aussi lorsqu’ils sont immobiles.