Vibrated granular media close to Jamming : from stuck liquids to soft solids

• Auteur / Autrice : Corentin Coulais
• Direction : Olivier Dauchot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vibrations

Phénomènes critiques (physique)

Milieux granulaires

Résumé

Un ensemble de particules avec interactions r´epulsives, dans un empilement dense, se bloquent dans un état rigide: sous cisaillement, ces systèmes ont une contrainte seuil avant de céder. Pourdes particules sans friction et à température nulle, l’empilement, à la transition de Jamming, est isostatique. Les propriétées mécaniques et géométriques présentent de nombreuses lois d’´echelles avec la distance au Jamming qui peut alors être vu comme un point critique. La généralisation de ce concept en présence de température et son lien avec la transition vitreuse ont fait récemment l’objet de nombreux travaux et laissent encore de nombreuses questions ouvertes. Nous tentons d’apporter des éléments de réponse à celles-ci en étudiant expérimentalement la dynamique des particules et du réseau de force d’un empilement désordonné de disques bi-disperses photo-élastiques vibrés horizontalement, dont nous varions la fraction surfacique pour plusieurs amplitudes de vibrations γ. Au delà d’un lent mouvement convectif d’ensemble, la dynamique des grains présente principalement une dynamique complexe —intermittente et hétérogène—à une échelle bien plus petite que la taille typique d’un grain. Ces hétérogénéités dynamiques sont d’amplitude maximale à une densité intermédiaire φ∗(γ). Au niveau du réseau de contacts, nous observons deux signatures franches et distinctes—statique et dynamique—analogues à la phénoménologie de la transition vitreuse. A l’instar du maximum d’hétérogénéités dynamiques des déplacements, la signature dynamique du réseau de contacts a lieu à φ∗(γ), si bien que dynamiques des d´eplacements et des contacts sont liées. En revanche, c’est à une densiée plus élevée φJ (γ) que l’on identifie la signature statique de la transition de Jamming. Lorsque l’on diminue l’amplitude de vibration vers la limite d’excitation mécanique nulle, γ → 0, φ∗(γ) et φJ (γ) se confondent, et l’échelle de longueur des corrélations dynamiques augmente. Nous comparons ces résultats aux propriétées des sphères molles au voisinage du Jamming

At large packing fraction, disordered packings of particles with repulsive contact interactions jam into a rigid state where they withstand finite shear stresses before yielding. For frictionless particles at zero temperature, the Jamming transition coincides with the onset of iso-staticity. Various geometrical and mechanical properties exhibit critical behavior with the distance to Jamming. What vestiges of Jamming remain at finite temperature and how Jamming impacts the thermodynamics of glasses remain open issues. We address these questions experimentally by investigating the dynamics of both the density field and the force network of an horizontally shaken bi-disperse packing of photo-elastic disks while varying the packing fraction, φ, at several vibration amplitudes γ. Although disks displacements reveal a slow global convective dynamics, strongly collective and intermittent motions take place on length scale much smaller than the grain diameter. These so-called dynamical heterogeneities are maximum at an intermediate packing fraction φ∗(γ). The statics and dynamics of the contact network display, respectively, two distinct sharp signatures, which are reminiscent of the glass transition phenomenology, albeit occurring at the contact scale. A dynamical signature occurs at φ∗(γ), and we relate it to the dynamical heterogeneities of the displacements. The static signature occurs at a larger packing fraction φJ (γ). We show further that φ∗(γ) and φJ (γ) merge in the γ → 0 limit and that the dynamical signature strongly increases as the vibration amplitude is reduced. These results are discussed in light of thermal soft-sphere properties close to Jamming