Le sable au repos ne se comporte vraiment pas comme un liquide, il se comporte plus comme un solide. Lorsque vous frappez la surface d’un tas de sable aplati avec un objet plat de grande taille, il n’y aura qu’une vague négligeable dans la densité des grains dans la majeure partie du tas. En fait, l’onde dominante sera une onde sonore compliquée à l’intérieur des grains, passée par des interfaces entre eux, et celle-ci se dissipera très rapidement à cause des imperfections.
Mais le sable commence à se comporter un peu comme un liquide très spécial s’il est dans un régime dynamique spécial et suffisamment dense appelé écoulement granulaire (ici, vous avez raison que la gravité aide généralement à maintenir la densité plus élevée). Le critère formel est qu’il doit présenter un taux de cisaillement ou un gradient de vitesses moyennes suffisamment important. Un exemple de ceci serait les parties mobiles d’un tas de sable lorsqu’il est versé à partir d’un silo. Ensuite, il est possible d’écrire un ensemble efficace d’équations de Navier-Stokes pour son comportement en termes de densités, de pression et de vitesses volumiques, qui sont le même type d’équations qui régissent la dynamique de l’eau.
Attention, cependant, que même dans ce mode, le comportement des « liquides de sable » est celui d’un fluide hautement Non newtonien, le mettant à égalité avec le comportement de fluides tels que la boue épaisse, la résine ou le ketchup. Une caractéristique particulière comprend le fait que l’interaction entre les couches du sable de différentes vitesses dépendra de manière plutôt non intuitive de la vitesse relative des couches. La dissipation dans le flux de grain est également très élevée et sans entraînement externe, elle tuera rapidement tout cisaillement. Et une fois que le taux de cisaillement descend en dessous du niveau critique, le flux de grain « gèle » et se comporte soudainement plus comme un solide.
Enfin, lorsque le sable devient très mince et très agité (les grains individuels reçoivent beaucoup d’énergie cinétique aléatoire), il peut se comporter comme un gaz pendant une courte période. Le critère clé pour ce mode est que les grains ne se heurtent pas trop entre eux et les parois (ce qui dissipe une grande partie de l’énergie cinétique). Cela peut être difficile à supporter si les grains sont lourds et lorsque la gravité est présente. D’autre part, les grains très légers peuvent vraiment devenir un « composant mineur de type gaz » de l’air pendant de plus longues périodes, car la traînée de l’air (collisions avec des molécules d’air) a tendance à synchroniser la vitesse des grains avec la majeure partie de l’air.
Quant à votre question avec la « vague de surface » sur un tas de sable. C’est vraiment assez amusant, car je crois que les trois modes seront généralement présents. Lorsque vous frappez la surface du sable avec un petit objet, le sable se déplace à ce point et crée un cisaillement local. Peut-être qu’une partie du sable s’éjectera dans l’air pour devenir « gazeuse » pendant un moment. Cependant, le cisaillement dans le sable qui reste réellement dans le tas permet un comportement de type fluide pendant un court instant, créant une ondulation semblable à une vague. Néanmoins, les vitesses relatives se dissipent rapidement et l’ondulation se fige.
Donc, en terminant par une astuce pour créer des vagues sable-liquide: essayez d’en faire une dans un tas de sable qui est pressé entre deux cylindres qui tournent à des vitesses angulaires différentes de sorte que la vitesse de cisaillement dans le sable soit supérieure à la vitesse critique. Il pourrait alors être possible d’obtenir des phénomènes ondulatoires !
(Un article scientifique sur le thème des écoulements granulaires que j’ai trouvé particulièrement clair est Une nouvelle loi constitutive pour les écoulements granulaires denses de Pierre Jop, Yoël Forterre & Olivier Pouliquen)
EDIT: Je viens de remarquer que Cort Ammon a posté un lien vers cette vidéo youtube de sable liquide de Mark Robber, où un « lit fluidisé » est créé en laissant de l’air bouillonner à travers le sable par le bas. Un lit fluidisé est créé lorsque la traînée de l’air par le bas contrecarre presque précisément les forces gravitationnelles sur les grains individuels. Il ne s’agit qu’indirectement de contrer la gravité. Le point principal est de mettre les grains hors de contact, afin qu’ils ne dissipent pas l’énergie aussi rapidement. En conséquence, moins de cisaillement est nécessaire pour maintenir un comportement semblable à un fluide, et cela est également fourni par le flux d’air irrégulier. Assez ingénieux!
