Ségrégation en milieu granulaire
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La ségrégation en milieu granulaire, appelée également l'effet noix du brésil[2] dans les pays anglo-saxons, fait référence au phénomène où des particules de différentes tailles ou compositions tendent à se séparer lorsqu'elles sont soumises à des forces, telles que le brassage, le coulage ou la vibration. Les particules ont tendance alors à se regrouper en fonction de leur taille, formant des agglomérats ou des couches distinctes. Ce phénomène peut être influencé par des forces telles que la gravité, le mouvement de fluides ou d'autres contraintes mécaniques.
Cela peut se produire dans des matériaux granulaires tels que les sols, les poudres, les grains ou les granulats. Des phénomènes de ségrégations sont observés dans les rivières, les glissements de terrain, les avalanches[3], les phénomènes volcaniques[4], le génie civil, l'industrie, les astéroïdes, etc. La compréhension de la ségrégation granulaire est essentielle dans de nombreux domaines, de la géotechnique à la métallurgie, car elle peut avoir des implications sur les propriétés et le comportement des matériaux granulaires.
La ségrégation en milieu granulaire est un cas de ségrégation d'éléments dans un système granulaire (poudre, grains, billes, cailloux, etc., ou les amas des petits objets dans leur ensemble). Ces principes, complexes s'appliquent à de nombreux domaines (écoulement de grains (comme dans un silo), géophysique (déplacement des dunes de sable, agriculture (les pierres qui remontent continuellement en surface dans les champs), conceptions de matériaux basés sur des éléments granulaires, tels que le sable dans le béton, mais aussi la disposition de grains, fruits et légumes dans des étales, ou encore en astrophysique, comme l'étude de déplacements de régolithes sur un astéroïde)[5]. Ces ségrégations sont liées à un ensemble de caractéristiques physiques des grains, taille, densité, formes, viscosité, etc., et différents phénomènes dynamiques, tels que gravité, frottements, vibrations ou capillarité, etc., et sont différents selon les situations.
Lorsque des grains de différentes tailles sont présents dans un système granulaire et que celui-ci est soumis à un cisaillement suffisamment rapide, ou suffisamment long, les grains de grande taille remontent à la surface[6]. L'expérience peut être faite en mettant une pierre dans un seau rempli de sable et en le secouant[7]. On parle alors de convection granulaire, connu également sous le nom d'« effet noix du Brésil ».
Dans un tambour en rotation, les petits grains vont permettre aux gros grains de s'écouler facilement, et au contraire, les gros grains vont ralentir l'écoulement des petits grains. Lorsque la rotation du tambour est lente, les grains se séparent formant une étoile relativement nette entre les deux tailles de grains, tandis que quand la rotation est très rapide, le mélange devient homogène[8].
En généralisant à un milieu granulaire quelconque, le phénomène est plus complexe puisque lors de la vibration, ce seront tantôt les particules de grand diamètre puis celles de faible diamètre qui se retrouveront sur le dessus suivant l'énergie et le type de vibration mises en jeu.
Ce phénomène est bien connu des industriels qui doivent jouer des ruses pour obtenir un mélange homogène lors de l'empaquetage des céréales pour le petit déjeuner par exemple. Cet effet se nomme « Brazil-nut effect[9] » (= « effet noix du Brésil ») dans les pays anglo-saxons puisque la légende raconte que l'effet fut mis au jour lors du transport de noix du Brésil par camion sur des routes cabossées où les noix arrivaient triées par tailles dans les bennes en raison des vibrations subies lors du transport[10].
