Le comportement d'un sac de billes n'est pas aussi simple qu'il y parait à première vue. Le simple fait de renverser un tas de billes permet déjà de mettre en évidence trois facettes d'un matériau granulaire qui est soit un solide, soit un liquide ou un gaz suivant les situations. Il peut même être tout autre chose.

Des élèves d'un Collège, qui ont lancé le projet d'un Musée du sable, rencontrent Pierre-Gilles DE GENNES, Pix Nobel de Physique en 1991. Celui-ci leur explique de façon simple “sur le tas”, au milieu d'une vaste étendue de sable, les mécanismes qui interviennent dans le comportement des matériaux pulvérulents sans cohésion entre les grains. Des expériences de laboratoire complètent cette approche.

La pente d'équilibre qui apparaît lors de la formation d'un tas de sable, et qui est bien définie pour un sable donné, pose déjà un problème en elle-même dans son analyse détaillée. Elle oscille entre une pente d'équilibre et un angle maximum légèrement supérieur.

Les avalanches de surface participent au réarrangement du matériau.

Les propriétés de cette pente d'équilibre est mise à profit par un insecte, le fourmilion. Caché au fond d'un trou qu'il a préalablement creusé dans le sable, il se nourrit des proies qui s'engagent imprudemment sur la pente instable.

Les grains ont tendance à se séparer suivant leur taille, dans un écoulement ou sous l'effet des vibrations. En laboratoire, on étudie quantitativementcette ségrégation.

Par vibration, une instabilité peut aussi apparaître dans les matériaux granulaires, conduisant à la formation de tas.

Si l'amplitude des vibrations auxquelles est soumis un matériau granulaire dépasse un seuil, le matériau se fluidise. Il ressemble à un gaz.

Le passage à l'état fluide, peut s'obteniraussi en insufflant un gaz dans le matériau pulvérulent qui devient comme liquide. Ces “lits fluidisés” sont couramment utilisés dans l'industrie chimique.

La dilatance est une autre propriété caractéristique de ces matériaux. Quand on déforme du sable tassé, le matériau gonfle. En effet, pour pouvoir déplacer les grains les uns par rapport aux autres, il est nécessaire que les pores se dilatent ce qui se traduit par un gonflement de l'ensemble du matériau.

Le compactage d'un matériau granulaire n'est pas sensible à la compression parce qu'il se forme des voûtes à l'intérieur du matériau qui s'opposent à toute compaction supplémentaire.

Quand on appuie avec un piston sur un réseau de pailles alimentaires, celles-ci ne cèdent que suivant des lignes de contact en préservant des zones entières où les pailles restent intactes.

Le compactage dépend des conditions de remplissage (hauteur de chute) mais aussi de la répartition en taille des grains. Le compactage maximum est obtenu en mélangeant des grains de tailles différentes afin qu'ils puissent remplir les espaces libres laissés par les gros et ainsi de suite. Ceci est à l'origine des bétons à hautes performances qui ont permis des réalisations audacieuses comme le Pont de Normandie.

Le cas extrême du compactage correspond au grès (en anglais “sandstone” : pierre de sable) pour lequel les grains de sable ont fini par fusionner entre eux aux points de contact, comme cela apparaît au microscope électronique à balayage.

Une compression appliquée à des billes de polystyrène contenues dans un sac que l'on dépressurise, rigidifie l'ensemble et permet par exemple de s'en servir comme attelle de secours.

L'écoulement qui s'établit dans un sablier permet de retrouver les principales caractéristiques des matériaux granulaires. Les différences dans l'écoulement par rapport aux anciennes horloges à eau des grecs ou clepsydres sont mises en évidence : la vitesse d'écoulement dans un sablier est constante alors qu'elle dépend de la hauteur de la colonne de liquide pour une clepsydre.

Quand on remplit un tube avec des billes de verre, le poids s'exerçant sur le fond du tube n'augmente pas proportionnellement à la hauteur du matériau. Cette expérience révèle le report des forces sur les parois par suite des voûtes qui se forment à l'intérieur.

L'observation de l'écoulement de graines dans un silo montre les zones concernées au sein du matériau.

Les effets de voûtes peuvent conduire à un blocage complet du silo, même si l'embouchure est beaucoup plus large que la taille des grains.

Dans la nature, la formation de dunes mobiles pose des problèmes encore non-résolus et représente un danger majeur pour les pays du tiers-monde en entraînant une désertification croissante.

Le but du film est de présenter les propriétés physiques spécifiques des matériaux granulaires (poudres et grains) dont le comportement est intermédiaire entre celui d'un liquide, d'un solide ou d'un gaz. De plus ces matériaux présentent des propriétés qui leur sont propres comme leur réaction à des vibrations ou à des déformations. Il s'agit d'un domaine d'étude très actif où se posent des problèmes d'ordre fondamental avec des implications dans de nombreuses applications industrielles.

Des élèves d'un collège rencontrent Pierre-Gilles De Gennes, prix Nobel de physique en 1991, qui leur explique les mécanismes qui interviennent dans le comportement des matériaux pulvérulents. Des expériences de laboratoire complètent cette approche (notion de pente d'équilibre, écoulement du sable, dilatance, réaction à des vibrations, compactage, ségrégation des grains selon la taille, formation de voûtes par les grains).

Le film aborde également l'importance écologique de ces phénomènes (processus de désertification par les dunes mobiles).