Agitez avant l'emploi!

par Donna Francis - Chargée de recherches / Chimie et science des matériaux (Adaptation française)
Janvier 2002

Aimeriez-vous savoir comment trouver la surprise au fond d'une boîte de céréales sans devoir d'abord tout manger?

J'ai beaucoup réfléchi à cette question dernièrement.

Rassurez-vous, je n'ai pas l'intention de participer à un concours de dégustation de céréales; j'ai tout simplement décidé d'étudier un groupe de matériaux auquel je n'avais guère prêté attention jusqu'à présent.

Et c'est le comportement atypique de ce groupe qui justifie notre titre.

On appelle cet étrange groupe les matériaux granulaires et on les trouve un peu partout dans la vie courante. Ce sont des ensembles de particules solides individuelles - ou plus simplement, tout ce qui peut être précédé du mot «grain»:

• sable
• sucre
• ou sel

Mais aussi :

• les céréales
• le maïs à éclater
• les graines...

Vous voyez de quoi je veux parler.

On a constaté que ces ensembles granulaires ont l'étonnante faculté de se conduire comme des solides, des liquides, ou des gaz denses (selon l'usage que l'on en fait).

Jusqu'à récemment, je considérais ces matériaux comme des solides ayant les mêmes propriétés que les autres solides. Mais les matériaux granulaires se comportent différemment. Et c'est ce que des physiciens du University of Chicago's Granular Group essaient de prouver en étudiant le sable.

L'effet «noix du Brésil»

Un phénomène important qu'ils étudient est l'effet «noix du Brésil». C'est l'expression utilisée pour décrire ce qui se passe quand on secoue une boîte de noix assorties de haut en bas pendant un certain temps. Essayez chez vous (si vous n'êtes pas allergique aux noix).

Après quelques secousses, les petites arachides se retrouvent au fond et les grandes noix du Brésil se retrouvent sur le dessus.

D'habitude, ce sont les grands objets denses qui se déposent au fond et les objets légers qui se retrouvent sur le dessus. La différence avec les matériaux granulaires, c'est qu'ils s'écoulent. Et le sable, tout comme les liquides, s'écoule.

Le mouvement de convection

	Voyez une série d'animations sur l'effet «noix du Brésil».

Imaginez un contenant rempli de sable. Lorsqu'on le secoue de haut en bas, les grains s'écoulent d'une façon spécifique. Chaque grain se déplace de bas en haut par le centre, horizontalement à la surface, et de haut en bas le long des parois. C'est ce qu'on appelle le mouvement de convection.

Si on ajoute une bille dans le sable, elle est emportée par le mouvement de convection et monte à la surface. Mais elle y reste, car, étant plus grosse qu'un grain de sable, les courants de convection sont trop étroits pour lui permettre de redescendre le long des parois avec le sable.

Variations

Depuis des années, les physiciens étudient des variations de l'effet «noix du Brésil» .

Ils ont découvert qu'on obtient l'effet inverse avec un contenant d'une autre forme! Quand on secoue un contenant de forme conique, la bille placée à la surface est entraînée vers le fond étroit, parce que le mouvement de convection se fait dans la direction opposée.

Les variations de densité de la bille et la quantité d'air entourant les grains de sable ont un effet important sur la vitesse de la bille. Si on réduit la pression d'air, la bille remonte beaucoup plus vite.

Hors du laboratoire

Mais quel est l'intérêt d'une telle recherche? Par exemple dans l'industrie, il faut parfois transporter des matériaux granulaires comme des mélanges de poudres composées de petites et de grandes particules. Avec les secousses du camion, le mélange est parfois séparé lorsqu'il arrive à destination.

Et dans la vie quotidienne?

C'est là qu'intervient la surprise au fond de la boîte de céréales.

Lorsque je vois une boîte géante de Rice Krispies avec sa surprise en plastique ensevelie sous les céréales, je sais maintenant comment la trouver sans devoir vider la boîte.

Pendant les vacances, j'ai découvert quelques utilisations bien pratiques de l'effet «noix du Brésil» :

• pour aromatiser mon pop-corn au cinéma
• pour attraper mes friandises favorites dans un mélange
• pour trouver un objet (pas trop fragile) dans une boîte remplie de billes de mousse

et ce n'est qu'un début.

Maintenant que je connais le phénomène de la noix du Brésil, que de découvertes en perspective!