Question centrale

• Comment réagissent les matériaux granulaires lorsqu'ils sont versés ?
• Comment expliquer que les particules d'un mélange de deux matériaux granulaires différents forment des couches ?
• Comment expliquer que les particules de même taille d'un mélange de deux matériaux granulaires différents se regroupent entre elles ?

Matériel requis

• Cellule de Hele-Shaw
• Rapporteur
• Fiche de type bristol ou autre
• du ruban adhésif
• Environ 50 ml de plusieurs matériaux granulaires secs (sucre, sable, sel, riz, lentilles ou autres grains d'un diamètre inférieur à 5 mm)

Idées principales et notions de base

• Un matériau granulaire ne se comporte pas exactement comme un liquide ou un solide. Il peut être versé comme un liquide, mais chacune de ses particules se comporte comme un solide.
• Lorsqu'un matériau granulaire est versé sur une surface plane, il forme un monticule ayant la forme générale d'un cône. Les particules rebondissent, roulent ou glissent sur les flancs du monticule et s'arrêtent.
• L'angle formé par le flanc du monticule et le plan horizontal est appelé angle de talus. Chaque matériau granulaire a un angle de talus caractéristique propre, dont la taille dépend en partie de la taille et de la forme des grains.
• Lorsqu'un mélange de deux matériaux granulaires avec des angles de talus différents est versé, il se produit parfois une stratification ou une ségrégation spontanée. Dans le cas d'une stratification, les couches alternées des deux matériaux se superposent parallèlement à la pente du monticule. Dans le cas d'une ségrégation, les gros grains tombent en bas de la pente alors que les grains plus fins restent en haut. Pour en savoir plus, lisez notre article sur les avalanches.
• L'effet de stratification peut jouer un rôle dans la formation des grès striés. Pour en savoir plus, lisez notre article intitulé Stratification et ségrégation : pourquoi certains grès sont-ils striés ?

Conseils sur le déroulement de l'expérience

• Les élèves auront certainement davantage de facilité à fabriquer leur cellule de Hele-Shaw à partir de boîtiers de CD que de plaques de plastique acrylique. Vous pouvez néanmoins construire la cellule acrylique plus large pour les démonstrations en classe.
• Versez le matériau granulaire dans l'entonnoir, de préférence en un filet fin continu. Ainsi, les grains tomberont et se répartiront de façon plus homogène, rendant les données plus fiables à exploiter Arrêtez de verser lorsque la pente du matériau atteint la paroi opposée de la cellule.
• Un matériau comportant des grains plus gros (comme les lentilles) peut rester bloqué dans l'entonnoir s'il est versé trop lentement. Dans ce cas, utilisez un trombone déplié pour aider au passage des blocs de grains.
• Collez du ruban adhésif sur le bord et le coin supérieurs de la fiche de type bristol pour la maintenir en place avant de mesurer l'angle de talus. Une fois le bord inférieur de la fiche aligné avec la pente du matériau, appuyez délicatement sur le ruban adhésif collé sur la paroi de la cellule afin de bien fixer la fiche.
• Pendant que vous alignez la fiche avec la pente du matériau, veillez à ne pas faire bouger la cellule de Hele-Shaw. Si vous heurtez la cellule, vous risquez de provoquer des petites avalanches et de modifier la pente du matériau. Si cela se produit, demandez simplement aux élèves de reverser le matériau dans son récipient d'origine et de le verser à nouveau dans la cellule.
• Lors du relevé de l'angle de talus, assurez-vous que le bord inférieur de la fiche passe bien par le centre du rapporteur.
• Après avoir relevé l'angle de talus, retirez la fiche et reversez le matériau granulaire dans son récipient d'origine. Vous pouvez maintenant renouveler l'expérience avec un autre matériau.
• Lors des expériences avec des mélanges de deux matériaux granulaires différents, orientez la réflexion sur les variables qui pourraient être indépendantes, c'est-à-dire contrôlées par l'expérimentateur. Par exemple, la sélection du matériau granulaire et la proportion d'un matériau par rapport à l'autre dans le mélange sont des variables qui peuvent être contrôlées. Concevez des expériences qui font appel à une seule variable indépendantes à la fois, de façon à pouvoir observer et documenter l'effet de cette variable sur le comportement du mélange versé.
• Lorsqu'une stratification ou une ségrégation spontanée se produit, prenez le temps de bien observer le comportement du mélange versé et discutez des observations avec toute la classe. Vous pouvez également consulter notre article sur les avalanches pour obtenir davantage d'informations sur les mécanismes de stratification et de ségrégation.
• Encouragez les élèves à explorer la cellule de Hele-Shaw virtuelle. Ils peuvent commencer par cliquer sur les trois derniers boutons de gauche et mesurer les angles de talus des matériaux correspondants (particules moyennes à facettes, larges sphériques et petites sphériques), en plaçant avec prudence leur rapporteur directement sur l'écran de l'ordinateur. Comparez ensuite ensemble les angles de talus avec ceux mesurés précédemment. Leur exploration scientifique de ces divers matériaux devrait maintenant être plus complète et revêtir davantage de sens.

Discussion

1. Comment décririez-vous le comportement du matériau granulaire lorsqu'il est versé sur une surface plane ? (Le matériau se verse comme un liquide et s'amoncelle comme un solide en un monticule de forme conique. Chaque grain versé roule ou glisse le long de la pente jusqu'à l'arrêt. La pente du monticule est relativement uniforme de haut en bas.)

2. Comment la cellule de Hele-Shaw permet-elle d'étudier la façon dont le matériau s'amoncelle ? (La cellule offre une vue « en coupe » qui permet d'observer clairement le mouvement des grains à travers les parois transparentes. L'angle de talus final peut ainsi être facilement mesuré. La cellule n'offre toutefois qu'une vue bidimensionnelle du processus.)

3. Pourquoi l'angle de talus diffère-t-il selon les matériaux granulaires versés ? (Selon leur taille, leur forme et d'autres facteurs, les particules ne rebondissent ou ne roulent pas toutes de la même manière le long de la pente. Les matériaux constitués de particules rugueuses et compactes ont davantage tendance à s'amonceler verticalement, créant un angle de talus plus large que les matériaux constitués de particules fines, qui eux s'écoulent avec plus de fluidité.)

4. Comment expliqueriez-vous la formation du grès, une roche caractérisée par ses successions de couches homogènes ? (Les différents matériaux constituant les couches du grès peuvent avoir des angles de talus différents. L'apparition de ces couches dans la roche peut être due à une action de coulée (comme dans une avalanche) exercée sur un mélange de deux types de sable différent avant la formation du grès.)

5. Comment expliqueriez-vous le phénomène de séparation des grains dans le mélange versé ? (Les particules plus larges qui ne trouvent pas de place où se loger continuent leur descente le long du monticule, laissant les particules plus fines au sommet. Pour en savoir plus, lisez notre article sur les avalanches.)

Evaluation

• Les élèves sont-ils capables de décrire le comportement des matériaux granulaires lorsqu'ils sont versés ? (Un matériau granulaire se comporte à la fois comme un liquide (il s'écoule) et comme un solide (il s'amoncelle). Le monticule de grains a généralement la forme d'un cône, dont le flanc a une pente définie, caractérisée par son angle de talus.)
• Les élèves sont-ils capables d'expliquer pourquoi les particules d'un mélange de deux matériaux granulaires différents forment des couches ? (Lorsqu'un mélange de deux matériaux granulaires avec des angles de talus différents est versé, il arrive que les deux matériaux forment des couches parallèles à la pente du monticule.)
• Les élèves sont-ils capables d'expliquer pourquoi les particules de même taille d'un mélange de deux matériaux granulaires différents se regroupent entre elles ? (Lorsqu'un mélange de particules grosses et fines est versé, les particules les plus grosses roulent en bas de la pente alors que les particules fines ont tendance à rester en haut.)

Variantes et autres études

• Demandez aux élèves de renouveler l'expérience avec cette fois-ci
  - des matériaux granulaires non testés de taille et de forme variées.
  – des matériaux granulaires secs et humides ;
  – des matériaux versés à partir de hauteurs différentes ;
  - des mélanges de trois matériaux différents.

• Avant que les élèves ne se lancent dans ces nouvelles expériences, demandez-leur de deviner le résultat de chacune d'entre elles et d'expliquer leurs réponses. Ils devront ensuite comparer leurs estimations avec les résultats obtenus et argumenter les écarts éventuels constatés.

Applications industrielles

• Applications industrielles
• Géologie et autres carrières en rapport avec la science de la terre
• Génie civil
• Conception de béton et autres mélanges utiles
• Carrières impliquant la manipulation de matériaux granulaires, comme dans les opérations en grenier, le concassage de roches et la production de poudres

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

Etats-Unis : Cet exercice relève de certaines parties de la norme NSES Content Standard A, Science as Inquiry et Content Standard G, History and Nature of Science, Grades 5-8 et 9-12 ainsi que des normes suivantes :

Grades 5-8
Standard B - Sciences physiques : B1, B2
Standard D – Sciences de la terre et de l'espace : D1

Grades 9-12
Standard B - Sciences physiques : B4
Standard D – Sciences de la terre et de l'espace : D2

Britain: Cet exercice relève de la norme anglaise relative à l'enseignement Sc1, Science Enquiry ainsi qu'aux normes suivantes :

KS3, Sc3, 2e, 2f

Glossaire/vocabulaire

Matériaux granulaires
Angle de talus
Mixture
Stratification
Segrégation
Variable indépendante

Liens

http://www.uoguelph.ca/~earnaud/photos/talus.htm

Photographie d'un éboulis formé par l'érosion de falaises ou d'autres formations abruptes. En s'affaissant, les roches érodées créent ce monticule incliné. Cette photo est un bel exemple de ségrégation naturelle, qui illustre clairement que les matériaux les plus gros sont tombés en bas alors que les morceaux plus fins sont restés en haut de la pente.

http://www.quanterra.org/guide/guide1_5.htm

Sur cette photographie, l'éboulis a un angle de talus d'environ 35 degrés.

http://www.lmgc.univ-montp2.fr/MIDI/gal_alfredo/main2.html

Ce site Web fournit une explication géologique au phénomène d'éboulis.

http://darkwing.uoregon.edu/~millerm/depenv.html

Cette page contient un index de photos de plusieurs environnements sédimentaires différents. Le cône de déjection représente un autre exemple de ségrégation des matériaux granulaires.

http://www.seed.slb.com/en/scictr/watch/cybergeo/formatio.htm

Cette page du site SEED explique comment un lobe de méandre accumule des sédiments regroupés par taille.