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Comment les ondulations apparaissent à la surface d’une route de terre ?

8 mars 2013

LP ENS Lyon - UMR 5672 , milieu granulaire , Instabilités , physique non linéaire

En analysant en laboratoire l’effet d’une plaque glissant sur une route de sable, des physiciens lyonnais ont déterminé les paramètres physiques qui gouvernent l’instabilité dite de « tôle ondulée ». Leur modèle théorique prédit précisément la vitesse critique d’apparition de cette instabilité ainsi que la longueur d’onde des ondulations.

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Souvent, après le passage répété de véhicules, la surface des routes de terre, sable ou gravier se déforme. Cette apparition d’un profil en « tôle ondulée » est très gênant pour les passagers et surtout très dangereux car il provoque des pertes d’adhérence. Pour prévenir ou guérir efficacement les chaussées de ces rides, il est indispensable de déterminer les conditions qui favorisent leur apparition. Un premier pas dans cette direction vient d’être franchi par des physiciens du Laboratoire de physique de l’Ecole Normale Supérieure de Lyon (CNRS / ENS Lyon / Univ. Lyon 1). Ils ont reproduit ces instabilités en laboratoire sur un système modèle constitué d’un « patin » plat glissant sur une piste circulaire faite de sable. Parallèlement à ces expériences, les chercheurs ont construit un modèle d’instabilité linéaire qui reproduit avec fidélité l’existence et la valeur d’une vitesse critique au-delà de laquelle la route se déforme en « tôle ondulée » et prédit quantitativement la longueur d’onde des rides. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review E. Les scientifiques travaillent maintenant à étendre leur analyse au cas d’une roue qui, à la différence du patin, compacte le sable et ne glisse pas.

L’apparition de rides à la surface des routes est similaire à la formation des dunes de sable dans le désert. C’est pourtant un phénomène encore très mal compris. Afin de simplifier au mieux le problème tout en conservant les éléments essentiels, les physiciens lyonnais on conçu un dispositif expérimental original. Un "patin", constitué d’une plaque plate inclinée, est tiré sur une piste circulaire faite de sable. Bien qu’il n’y ait ni roue, ni amortisseur, les ondulations de la route apparaissent au-delà d’une vitesse critique. Ce ne sont donc pas dans les oscillations verticales du véhicule associées à la présence des amortisseurs qu’il faut chercher l’origine des ondulations de la route. Il ne faut pas non plus chercher dans le tassement du sable car la plaque ne fait que le déplacer sans le compacter. La clé du mécanisme de formation des rides repose en fait dans la force d’interaction entre la plaque et le sable, due au sable entrainé par la plaque et à l’enfoncement de cette dernière. En intégrant cette force dans un modèle couplant le mouvement de la plaque et la modification du profil de la route par l’action de cette dernière, les physiciens ont montré l’existence d’une vitesse critique pour l’apparition des instabilités. Ils ont déterminé cette vitesse et la longueur d’onde des instabilités. Ces prédictions sont en très bon accord avec les mesures et permettent d’envisager sereinement l’ajout des ingrédients supplémentaires qui apparaissent lorsque l’on considère un véhicule à roue.

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Route en tôle ondulée aux abords de Fremont - USA (à droite) et sa reproduction au laboratoire de physique de l’ENS de Lyon (à gauche).

En savoir plus

Modeling Washboard Road : from experimental measurements to linear stability analysis, B. Percier, S. Manneville et N. Taberlet, Physical Review E. 87, 012203 (2013)

Retrouvez l’article de la publication sur la base d’archives ouvertes arXiv

Contact chercheur

Baptiste Percier, doctorant à l’ENS Lyon

Informations complémentaires

Laboratoire de physique de l’Ecole Normale Supérieure de Lyon

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr