La propagation catastrophique des fractures expliquée par leur température extrême

Publié par Redbran le 31/10/2020 à 13:00
Source: CNRS INSU

Détail de la fracture d'un iceberg, dans la baie du Commonwealth, à l'est de la Terre Adélie. © Erwan AMICE / LEMAR / CNRS Photothèque
Le phénomène de fractoluminescence, c'est-à-dire l'émission de lumière lors de la rupture d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison...), est généralement peu connu du grand public. Il est pourtant assez facile de l'observer: il peut en effet suffire de peler (dérouler) rapidement un rouleau adhésif dans le noir (voir illustration). Cet intrigant phénomène peut être expliqué par l'extrême température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...) - des milliers de degrés - que l'adhésif atteint très localement, à l'endroit où celui-ci se détache du rouleau. Une colle (Une colle ou la glu est un produit de nature liquide ou gélatineuse servant à lier des pièces entre elles. Ces pièces peuvent être de même nature ou de différents...) qui rompt brutalement pourrait ainsi être plus chaude que la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) de notre Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...) !

Bien plus qu'une anecdote amusante, ce processus permet de mieux comprendre la fragilité (La fragilité est l'état d'une substance qui se fracture lorsqu'on lui impose des contraintes mécaniques ou qu'on lui fait subir des déformations brutales (c'est-à-dire sous forme de choc), sa fracture...) 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,...). Une menace potentielle pour tous les objets de notre quotidien (de l'écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par l'ordinateur, sous forme de...) de nos téléphones à l'arche (Une arche est un élément naturel ou construit qui adopte une forme géométrique proche de l'arc. L'élément délimite un espace sous lequel il est possible de...) de nos ponts) n'est-elle pas la croissance soudaine d'une fracture (En traumatologie, le terme de fracture désigne par définition une solution de continuité osseuse ("rupture" des os).) ? Ceci est également valable pour les roches sur lesquelles nous vivons, dans lesquelles les fractures peuvent notamment générer des tremblements de 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...) dévastateurs.

En étudiant la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de pelage des rouleaux adhésifs, mais aussi la dynamique de rupture du verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de...) acrylique (PMMA), une nouvelle étude montre que les fractures brutales peuvent être dues à des dégagements thermiques intenses. Elle prédit que plus une fissure est rapide, plus elle dégage de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). Réciproquement, plus une fissure est chaude, plus elle se propage rapidement. En effet, l'agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs pour rendre une ou plusieurs de ces caractéristiques homogènes. Plusieurs...) moléculaire à la pointe de la rupture (dont l'intensité est liée à la température) peut permettre de rompre les liens atomiques maintenant la cohésion des solides. Ce phénomène peut alors s'emballer: une fracture peut soudain atteindre des milliers de degrés et ainsi se propager de façon catastrophique.

Dans le cadre de la friction dans une roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du...), un phénomène analogue permettrait d'expliquer la transition sur une faille d'un glissement très lent et asismique, à une rupture sismique dynamique, à de très grandes vitesses de glissement. L'élévation de température très élevée et très localisée pourrait être à l'origine du phénomène dit de "chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) flash" et de la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la fusion s'effectue...) locale des roches intensément chauffées, telle que la transformation en pseudotachylite, sur des couches très fines.


Un rouleau adhésif (à gauche) déroulé rapidement dans le noir (à droite). Le cadre pointillé délimite la même zone dans les deux images. La lumière bleue pourrait découler d'une température locale de la colle proche de 7000°C.

En savoir plus:
How heat controls fracture: the thermodynamics of creeping and avalanching cracks - Soft Matter, Issue 41.
T. Vincent-Dospital, R. Toussaint, S. Santucci, L. Vanel, D. Bonamy, L. Hattali, A. Cochard, E.G. Flekkøy, & K.J. Måløy.
https://doi.org/10.1039/D0SM01062F

Contact:
Renaud Toussaint - IPGS - renaud.toussaint at unistra.fr
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