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Posté par Isabelle le Samedi 05/01/2013 à 12:27
La gravité influence les écoulements de matériaux granulaires
Les matériaux granulaires sont omniprésents dans la nature et l'industrie. Des exemples typiques sont le sable de plage, les poudres pharmaceutiques, mais aussi la poussière et le matériau qui recouvrent les surfaces des planètes, de leurs satellites et des petits corps du Système Solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant...). Les écoulements des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) granulaires sont un sujet largement étudié, et pourtant un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui...) complet d'équations les gouvernant n'a toujours pas été découvert. En d'autres termes, la prédiction de ces écoulements est souvent confrontée à de grandes incertitudes en dépit des nombreux efforts pour développer des modèles sophistiqués.


Dr Naomi Murdoch et Dr Ben Rozitis en apesanteur
avec leur expérience de matériaux granulaires.
Photo: ESA/A. Le Floc'h.

Par exemple, le rôle de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) dans ces écoulements est encore mal établi, car notre connaissance est basée sur nos observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) dans le cadre de la gravité terrestre, alors que la gravité est bien plus faible sur les corps célestes tels que les astéroïdes, la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne séparant la Terre de la...) et Mars. En utilisant l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec...) unique disponible à bord d'un avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air, entraîné par un organe moteur (dans le cas d'un engin sans...) effectuant des vols paraboliques en micro-gravité, nous avons effectué des expériences dans le but d'explorer le rôle de la gravité (ou de son absence) dans les écoulements de matériaux granulaires. Cela nous permet d'explorer ces écoulements dans des conditions qui deviennent très proches de celles rencontrées à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet...) de corps bien plus petits que la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et...). Dans les conditions de gravité terrestre, l'écoulement à deux composantes: un écoulement global que nous induisons, et un écoulement secondaire de type convectif. Ce dernier désigne le mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée...) des couches supérieures de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) étudiée avec ses couches inférieures.

Les caractéristiques d'écoulements convectifs sont cruciales dans les applications industrielles telles que la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) de grains par leur taille, leur forme ou leur densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps...).

Cette problématique peut intervenir, par exemple, dans la production de médicaments dont les composants doivent être parfaitement mélangés. Elle intervient également dans les questionnements en sciences planétaires, tels que la compréhension du comportement des matériaux granulaires à la surface des corps célestes de gravités différentes. Une expérience de cisaillement de matériaux granulaires utilisant une cellule de type Taylor-Couette a été effectuée en micro-gravité à l'aide de vols paraboliques avec l'Airbus (Airbus est un constructeur aéronautique européen et également un acteur majeur dans la construction aéronautique mondiale. Filiale à 100 % du groupe industriel EADS, il conçoit, développe,...) de la société Novespace, dans le cadre du programme sélectif "Fly your Thesis" (faites voler votre thèse) de l'Agence Spatiale Européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est une agence spatiale intergouvernementale fondée le 31 mai 1975. Elle est chargée...). Cette expérience a permis d'explorer le rôle de la gravité en tant que force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) contrôlant les écoulements secondaires dans un écoulement confiné de matériaux granulaires. Nos expériences montrent que l'écoulement secondaire ne se manifeste pas en l'absence de gravité et que son importance augmente avec le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de gravité.

Nous suggérons que la gravité ajuste les intéractions frictionnelles entre les grains eux-mêmes et ainsi que celles entre les grains et les murs de l'expérience qui contrôlent l'écoulement convectif. Nous présentons des mesures qui soutiennent cette suggestion. Une telle compréhension du rôle de la gravité est important pour interpréter correctement les images des surfaces couvertes de matériaux granulaires envoyées par les sondes spatiales visitant les corps solides du Système Solaire et pour préparer les missions futures – robotiques ou humaines – qui interagiront avec ces surfaces.

Ce travail est le fruit d'une collaboration entre l'Observatoire de la Côte d'Azur, l'Open University (Angleterre) et l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) du Maryland (Etats-Unis).

Références:

N. Murdoch (OCA, Open University), B. Rozitis (Open University), K. Nordstrom (University of Maryland), S. F. Green (Open University), Patrick Michel (OCA), T-L. de Lophem, and W. Losert (University of Maryland).
Granular Convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant...) in Microgravity, Physical Review Letters, Janvier 2013.


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Source: Observatoire de la Côte d'Azur