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Thèse Année : 2012

Dense Vibrated Granular Media: From Stuck Liquids to Soft Solids

Milieux granulaires vibrés proches du Jamming: Des liquides figés aux solides mous

Résumé

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 geo- metrical 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, $\phi$, at several vibration amplitudes $\gamma$. 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 $\phi^*(\gamma)$. 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 $\phi^*(\gamma)$, and we relate it to the dynamical heterogeneities of the displacements. The static signature occurs at a larger packing fraction $\phi_J(\gamma)$. We show further that $\phi^*(\gamma)$ and $\phi_J(\gamma)$ merge in the $\gamma\rightarrow 0$ 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.
Un ensemble de particules avec interactions répulsives, dans un empilement dense, se bloquent dans un état rigide: sous cisaillement, ces systèmes ont une contrainte seuil avant de céder. Pour des particules sans friction et à température nulle, l'empilement, à la transition de Jamming, est isostatique. Les propriétés mécaniques et géométriques présentent de nombreuses lois d'échelles 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 $\gamma$. 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 $\phi^*(\gamma)$. Au niveau du réseau de contacts, nous observons deux signatures franches et distinctes|statique et dynamique| analogues à la phénoménologie de la transition vitreuse. %La statique et la dynamique du réseau de contact présentent deux signatures distinctes analogues à la phénoménologie de la transition %vitreuse. Á l'instar du maximum d'hétérogénéités dynamiques des déplacements, la signature dynamique du réseau de contacts a lieu à $\phi^*(\gamma)$, si bien que dynamiques des déplacements et des contacts sont liées. En revanche, c'est à une densité plus élevée $\phi_J(\gamma)$ 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, $\gamma\rightarrow0$, $\phi^*(\gamma)$ et $\phi_J(\gamma)$ se confondent, et l'échelle de longueur des corrélations dynamiques augmente. Nous comparons ces résultats aux propriétés des sphères molles au voisinage du Jamming.
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Dates et versions

tel-00764093 , version 1 (12-12-2012)
tel-00764093 , version 2 (14-01-2013)

Licence

Paternité

Identifiants

Citer

Corentin Coulais. Dense Vibrated Granular Media: From Stuck Liquids to Soft Solids. Soft Condensed Matter [cond-mat.soft]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. English. ⟨NNT : 2012PA066376⟩. ⟨tel-00764093v2⟩
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