La physique des châteaux de sable

article original publié par Science @ Nasa
auteur : Patrick L. Barry
traduction de Didier Jamet
11 JUILLET 2002

« Une forteresse de sable, juillet 1980 », érigée lors du concours de châteaux de sable de Cannon Beach, Oregon.
« Une forteresse de sable, juillet 1980 », érigée lors du concours de châteaux de sable de Cannon Beach, Oregon.

Georges Vetter

Une prochaine mission de la navette spatiale embarquera de petites colonnes de sable dans l’espace, et reviendra avec de précieux enseignements pour les spécialistes des tremblements de terre, les agriculteurs et les physiciens.

Donnez un seau en plastique et une pelle à une petite fille, puis laissez-la en liberté sur une plage de sable. Elle travaillera dur toute la journée pour construire châteaux de sable sur châteaux de sable. Du pur bonheur.

Mais c’est aussi de la physique très sérieuse.

Les châteaux de sable sont constitués de grains – des milliards de minuscules particules à angles aigus qui se bousculent et jouent des coudes. La solidité de la forteresse dépend de la façon dont les grains interagissent. Que se passe-t-il quand ils sont humides ? Comment encaissent-ils une secousse ? La réponse n’intéresse pas seulement les estivants : les agriculteurs, les physiciens et les ingénieurs aussi veulent savoir.

Quand les enfants entreprennent un château de sable, ils commencent par aller chercher de l’eau de mer pour humidifier le sable. Mais pas trop – juste assez pour assurer la cohésion des grains de sable sans que l’eau n’en ruisselle. (Responsables de la sécurité civile, que diriez-vous d’être en mesure de prévenir une coulée de boue dévastatrice ?)

Ensuite, ils tassent le sable mouillé dans un seau, et le renversent afin de créer la base solide d’une tour. (ingénieurs des travaux publics, cela ne vous rappelle-t-il pas les compactes fondations routières ?)

Les enfants adorent construire des tours de plus en plus hautes – jusqu’à ce qu’un mur s’affaisse soudainement et que la tour glisse dans les douves. (Agriculteurs : pensez aux grains d’un silo s’agglutinant les uns aux autres, puis s’effondrant brutalement et détruisant le silo).

Ils vont parfois jusqu’à décorer le château en laissant goutter du bout de leurs doigts du sable gorgé d’eau, se solidifiant sur place pour former d’étranges stalagmites. (Artistes, n’oubliez pas la beauté des sciences physiques)

Les scientifiques comprennent dans les grandes lignes pourquoi le sable d’une plage se comporte comme il le fait. Les grains de sable mouillé restent collés entre eux car l’eau forme de minuscules ponts de l’un à l’autre.

La tension superficielle – la même force de traction qui permet aux araignées d’eau de se déplacer à la surface d’un étang – agit comme un élastique en caoutchouc entre les grains de sable humide, les maintenant rassemblés.

Mais s’il y a trop d’eau, cette dernière envahit tout l’espace entre les grains de sable : Les ponts s’écroulent et le sable commence à se comporter comme un liquide.

Ça a l’air simple comme ça, mais le sable mouillé peut encore donner du fil à retordre aux chercheurs.

Par exemple, quand survient un tremblement de Terre, des terrains humides peuvent soudain se « liquéfier » littéralement, ressemblant alors plus à des sables mouvants qu’aux solides remparts d’un château de sable.

C’est ce qui s’est produit durant le tremblement de terre de Loma Prieta à San Francisco en 1989. Dans le district de Marina, les vibrations liquéfièrent le sol saturé d’eau, faisant littéralement couler les immeubles dans le sol et transformant leur troisième étage en rez-de-chaussée.

Le passage d’un état à l’autre est soudain et encore mal compris.

Suite de l’article : Mystères sous le sable
(lien ci-dessous)

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