Les particules forment naturellement un cône sur une surface plane.

La pente formée est appelée angle de talus.

Stratification et ségrégation

Lorsque du sable ou un autre matériau granulaire composé de particules de taille et de forme homogènes est versé sur une surface plane, il forme un monticule. A mesure que le monticule grossit, les particules s'écoulent le long de la pente et s'éloignent du centre. Le monticule de particules prend donc la forme finale d'un cône.

Ce monticule a une pente caractéristique qui dépend de plusieurs facteurs, dont la taille et la forme des grains. L'angle de cette pente est appelé « angle de talus ».

Lorsqu'un mélange de deux matériaux granulaires avec des angles de talus différents est versé, un phénomène supplémentaire peut apparaître. Les particules ont tendance à se regrouper par taille, les gros grains tombant généralement en bas de la pente. Mais il arrive parfois que les deux matériaux se séparent en couches. Au cours de cette expérience, nous étudierons plusieurs exemples.

Nous étudierons tout d'abord l'angle de talus de plusieurs matériaux seuls, ayant chacun des grains de forme et de taille différentes. Nous verrons ensuite comment des mélanges de ces matériaux peuvent se séparer lorsqu'ils sont versés.

Afin d'obtenir des mesures homogènes des différents angles de talus, nous versons le matériau granulaire dans une cellule de Hele-Shaw, une boîte composée de deux plaques rigides transparentes et écartées de quelques millimètres. Vous pouvez fabriquer votre propre cellule à partir d'un boîtier de CD et de trois crayons (ou autres objets similaires). Cliquez ici pour savoir comment la construire.

Construisez une petite cellule de Hele-Shaw avec un boîtier de CD et trois crayons.

Riz, graines, fèves, etc. sont les matériaux granulaires que vous pouvez utiliser dans votre cellule de Hele-Shaw.

Outils et matériel

Pour cette étude, vous aurez besoin :

• d'une cellule de Hele-Shaw (cliquez ici pour savoir comment la fabriquer) ;
• d'un rapporteur ;
• d'une fiche de type bristol ou autre ;
• de ruban adhésif transparent ;
• d'environ 50 ml de plusieurs matériaux granulaires secs (sucre, sable, sel, riz, lentilles ou autres grains d'un diamètre inférieur à 5 mm).

Remarque : si vous avez construit la cellule de Hele-Shaw grand format, vous aurez probablement besoin d'une plus grande quantité de matériaux.

Expérience

Voilà ce que vous devez faire :

1. Posez votre cellule de Hele-Shaw à la verticale sur une table ou toute autre surface plane.

2. Verser lentement environ 50 ml de matériau granulaire dans l'entonnoir. Pendant cette opération, la cellule doit rester bien droite et immobile. Observez comment se forme la pente du monticule de matériau granulaire. Arrêtez de verser lorsque le bas de la pente se rapproche de l'extrémité opposée de la cellule.

3. Sans bouger la cellule, collez délicatement une fiche de type bristol sur la plaque transparente de sorte que le bord de la fiche soit aligné le plus possible avec la pente du matériau. Le coin inférieur de la fiche doit toucher la table. Pour cette opération, n'hésitez pas à demander de l'aide.

4. Mesurez l'angle de talus entre le plan horizontal de la table et le bord aligné de la fiche à l'aide d'un rapporteur. Vérifiez que le bord de la fiche passe bien par le centre du rapporteur.

5. Notez la valeur lue sur le rapporteur dans le tableau des données ci-dessous. Retirez la fiche et reversez le matériau dans son récipient d'origine. Répétez les étapes 2 à 4 à deux reprises en notant vos résultats. Calculez ensuite l'angle de talus moyen du matériau.

6. Procédez de la même façon pour déterminer l'angle de talus moyen de plusieurs matériaux granulaires. Cliquez ici pour connaître nos résultats.

Tableau de données des angles de talus

...tentez d'autres expériences...
Gros plan sur l'espace
Sciences de la terre
Electricité et magnétisme
Propriétés des liquides

...essayez nos expériences interactives…
Labo virtuel

...ou testez vos compétences...
L'énigme mathématique du mois
Défi technique de la saison