Remplissage de la boîte expérimentale.

La boîte que nous vous proposons de fabriquer met en œuvre des matériaux qui se trouvent dans tout magasin de bricolage.
Le même dispositif vous servira à réaliser des expériences illustrant deux thèmes de Géomanips : extension et compression.

L'astuce proposée par le laboratoire de Rennes consiste à placer un piston mobile dont le mouvement peut comprimer d’un côté et étirer de l’autre. Ainsi, compression et extension peuvent être réalisées simultanément ou successivement. Mais ici, nous nous attacherons à réaliser une extension.

Il est important que le piston comporte une plaque fixée à sa base. Cette plaque basale doit déborder de part et d’autre d’environ 10 cm. Ainsi, les couches de sables seront déposées à cheval sur le bord de cette plaque basale : la partie déposée sur la plaque sera entraînée par le piston, la partie déposée directement sur le fond de la boîte restera en place.

La frontière entre deux plaques divergentes est donc modélisée. La limite de la plaque basale délimitant une nette "discontinuité de vitesse".

La boîte est réalisée en plexiglas, mais peut être construite en contreplaqué afin de réduire le prix de revient. Dans les deux cas, il faut doubler les parois avec du verre afin de limiter les frottements sur le bois ou protéger le plexiglas des rayures. Pour l’observation, une fenêtre devra donc être aménagée. L’idéal serait une solide boîte en verre épais.

Les dimensions de cette boîte sont 70x15x15 cm. Pour des raisons de solidité et de rigidité, l’épaisseur des parois ne doit pas être inférieure à 1 cm.

Sur l’une des grandes faces, une fenêtre rectangulaire d’environ 40x10 cm est découpée. Une scie sauteuse suffit pour le bois, une scie circulaire est nécessaire pour le plexiglas.

Deux plaques de verre de 68 x 14 cm, d’épaisseur 0,5 cm, doublent les grands côtés pour réduire les frottements. Elles seront maintenues verticalement par le piston (des pinces à linges peuvent être utiles !).

Le piston qui sera le moteur de la déformation est un parallélépipède en contreplaqué ou en plexiglas mesurant 10 x 14 x 12 cm. Sa largeur est très légèrement inférieure à la largeur interne de la boîte pour permettre un bon glissement, mais doit limiter au maximum l’échappement latéral du sable sec (ce qui s’est cependant produit dans le cas que nous présentons !). Cet ajustement pourra être réalisé à l’aide de ruban adhésif que vous enroulerez autour du piston. Le piston peut rester ouvert et permettre ainsi de glisser la main à l’intérieur pour le déplacer, mais d’autres solutions sont possibles, un bloc de bois poncé peut faire l’affaire et être alors manœuvré du dessus.

Important
Comme cela a été indiqué plus haut, une plaque basale sera collée à la base du piston. Utiliser une colle spéciale plastique pour le plexiglas et une colle forte pour le contreplaqué. On pourra solidifier le système en collant des équerres.

Insérez le piston dans la boîte et le dispositif est prêt.

Ingrédients
Du sable de Fontainebleau et de la teinture (encre de chine pour le noir, bleu de méthylène pour le bleu, ou une teinture spéciale pour mortier).

Voici la recette d’un chercheur
"J'utilise une bétonnière remplie de 50 kg de sable (un sac) dans lequel je rajoute deux verres d'eau (pour humidifier le sable), puis j'ajoute la teinture (environ un verre d'encre de chine ou de bleu de méthylène), pour la teinture à mortier 1/3 de sachet suffit amplement (selon la couleur désirée). Une fois que le mélange est bien homogène (2 minutes avec la bétonnière), je place le sable dans des bacs, puis en étuve, 24 heures à 150°c".

Un mélange manuel dans une cuvette sera moins parfait, mais plus rapide pour de petites quantités.

Pour que l'expérience soit bien observable, il est important de bien placer le piston qui servira à tirer.

Voir ci-contre le détail de la mise en place.

Il est, exceptionnellement, arrivé que les expérimentateurs aient des déboires avec l’excellent sable de Fontainebleau ! Voici un test simple pour contrôler la qualité de vos sables.

De la même façon, Géomanips a testé pour vous d’autres matériaux granulaires très faciles à trouver et peu coûteux : des sables et des produits alimentaires !

Prenez deux feuilles de papier. Fixez en une à la table avec du ruban adhésif. Posez la deuxième feuille sur la première en la décalant.

Déposez à cheval sur les deux feuilles une couche du matériau choisi, sur environ 3 centimètres d’épaisseur. Lissez soigneusement avec une réglette mais sans tasser.

Provoquez à la main la tectonique des plaques ! Écartez la feuille mobile en la tirant lentement.

- Si un fossé en forme de V apparaît, votre matériau est utilisable pour l’expérimentation.
- S’il se forme plutôt une fissure aux parois verticales votre matériau à trop de cohésion : les grains adhèrent entre eux car il sont trop fins ou sont pollués par de l’argile.

Nous avons réalisé plusieurs tests avec divers matériaux granulaires :
sable du désert, sable de plage, sable destiné… aux bacs à sable mais aussi sucre en poudre, semoule de blé dur sont satisfaisants.
En revanche, plâtre et farine ne se comportent pas correctement pour cette expérience.