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L'effet noix du Brésil
Note de la rédaction : Cet article sur l'effet noix du Brésil a été écrit par Steve Grimmer, mécanicien artiste de Little River.
Lors de notre réunion de planification la semaine dernière, mes collègues ont dû me rappeler que l'effet noix du Brésil est un phénomène selon lequel les particules plus grandes ont tendance à remonter à la surface d'un mélange lorsqu'il est secoué ou agité d'une autre manière.
L'exemple classique est bien sûr une boîte de noix mélangées : ouvrez-la et vous êtes presque assuré de voir plusieurs noix du Brésil sur le dessus. Il se trouve que je les aime bien, c'est donc un effet positif pour moi. Ma mère m'a raconté, enfant, qu'elle et ses frères et sœurs les appelaient des ’ orteils de troll » lorsqu'elle était fille dans les années 1950, alors je suppose qu'il y a matière à discussion sur ce point. Restant dans le thème de la physique des en-cas, cela explique également pourquoi, lorsque vous arrivez au fond de votre mélange montagnard, il ne vous reste que des graines de tournesol et du sel. Voici une vidéo amusante et instructive de Nicole Sharp sur son excellent blog, FY! Fluid Dynamics, alias FYFD :
Ici à Little River, lorsque nous envoyons nos médias de Memphis et Carbondale, dont le code couleur dépend de la taille, à nos clients, nous plaçons généralement les fractions noires et rouges très fines dans un sac en plastique séparé des médias plus grossiers jaunes et blancs. Les particules noires et rouges ne représentent qu'une petite proportion du mélange, il est donc difficile de les voir lorsque tout est réparti uniformément ; il semble à première vue que nous ayons oublié de les ajouter. Si nous versons simplement le rouge et le noir sur les particules grossières dans les seaux d'expédition, les vibrations du camion pendant le transport suffisent à faire remonter les particules grossières sur le dessus et à recouvrir les fines !
Sur le terrain, le même effet peut être observé dans presque tous les cours d'eau rocheux ou graveleux. Le lit du ruisseau est invariablement recouvert de grosses pierres ou de galets, tandis que les sédiments fins s'enfoncent en dessous, hors du courant. C'est l'un des mécanismes qui stabilisent un chenal et ralentissent l'érosion, connu sous le nom de blindage du lit de rivière. Il est reconnu depuis de nombreuses années et est généralement compris comme le produit de la mécanique des fluides plutôt que du comportement d'un système granulaire : les plus petites particules roulent jusqu'à ce qu'elles atterrissent dans un espace entre des particules plus grosses et trouvent un abri contre le flux d'eau. Des périodes de débit plus élevé font rouler les grosses particules par-dessus les sédiments plus fins, et le lit est ainsi trié. Nous n'avons pas tendance à voir cela dans nos Bancs de cours d'eau Emriver parce que nos supports sont spécifiquement dimensionnés pour modéliser l'érosion et le transport des sédiments, plutôt que des systèmes intrinsèquement stables. Un modèle de cours d'eau très stable ne serait pas très intéressant, n'est-ce pas ?
D'autres forces sont cependant à l'œuvre, comme l'ont découvert le professeur de géosciences de l'Université de Pennsylvanie Douglas J. Jerolmack et ses collègues. Dans un papier publié dans la revue Nature En 2015, ils ont montré qu'en plus du transport de sédiments en suspension et par charriage, il existe un fluage très lent des particules sous la zone d'interaction hydrologique. C'est le résultat de la force de cisaillement exercée par les particules en mouvement sur le lit du cours d'eau, qui interagit avec les fines particules situées plusieurs couches plus bas. Cette découverte a des implications pour la prévision du déclenchement et du volume de l'érosion des particules lors de différents événements hydrologiques, car le substrat maintenant le lit du cours d'eau s'est réorganisé structurellement et s'est déplacé vers l'aval depuis la dernière crue. Cela ne répond toutefois pas tout à fait à la question du blindage.
Dans des recherches qui s'appuient sur ces travaux, Jerolmack et son équipe utilisent le même instrument, un canal circulaire, pour montrer le mouvement vertical de particules plus grandes dans le substrat du lit du cours d'eau. Ce canal est un tore en plastique transparent d'environ 36 cm de diamètre, avec une largeur de canal de 2,5 cm. Le milieu granulaire est composé de billes de plastique transparent d'un diamètre compris entre 1,5 mm et 3 mm, et le fluide utilisé est une huile légère. Le couvercle du canal tourne et est équipé de pales pour induire un écoulement dans le système, et une caméra prend des photos des particules à l'intérieur du canal éclairé par une nappe laser.
Jerolmack et son équipe ont publié une papier dans le journal Nature en 2017 qui démontre non seulement le transport horizontal sous le lit susmentionné, mais aussi le tri vertical des particules, les grains les plus grossiers remontant vers le sommet du lit au fil du temps. L'équipe a documenté cet effet à des niveaux vigoureux de charriage et de transport en suspension ainsi qu'à des niveaux très faibles. Cette découverte montre que notre compréhension de la physique granulaire s'applique aux lits de rivières en mouvement ainsi qu'aux forces hydrologiques agissant sur les particules de surface. Cette recherche a de nombreuses applications en dehors de la géomorphologie fluviale, allant de l'explication de la raison pour laquelle le sol des coteaux tend à présenter des particules grossières à la surface jusqu'à l'aide à la prédiction des glissements de terrain et des avalanches.
Alors, nous avons quelques expériences à essayer ici chez Little River Research and Design. Dans notre Emflume1, nous ajouterons une fraction plus grossière à nos milieux de culture repérés par code couleur et ferons une vidéo en accéléré pour voir si nous pouvons suivre le mouvement horizontal ou vertical dans les couches souterraines. Nous pouvons également ajouter des enrochements en plastique aux milieux et observer le même effet.
Dans notre Em3 tableau de flux, Je souhaiterais insérer une paroi en polycarbonate sur toute la longueur du modèle et l'utiliser comme une fenêtre pour observer le mouvement des mêmes particules lorsque le flux s'écoule de l'autre côté de la paroi. Dans les deux cas, le frottement entre les particules et la paroi en polycarbonate peut avoir un effet, et je ne dispose pas d'un laser à feuille pour photographier le milieu du canal.
Enfin, je vais porter plus attention au blindage du lit des cours d'eau sur le terrain, et je réfléchirai aux processus qui rendent les ruisseaux et les rivières si fascinants !
