Solide et liquide à la fois

L’émission du CNDP et de La Cinquième
pour les écoles et les collèges
PHYSIQUE
Des faits aux phénomènes
Solide et liquide à la fois
LIQUIDE OU SOLIDE ?
Ce n’est pas si simple !
Les sables mouvants et la boue
nous montrent qu’un matériau
peut très bien avoir des propriétés
de liquide ou de solide
selon les conditions
et les forces qui s’exercent sur lui.
La lave de boue change d’état en fonction de
la pente qu’elle suit.
© CNDP
La catastrophe de Sarno, en Italie, en mai 1998, nous a marqués par les
images terribles de ces torrents de boue dévalant la montagne et engloutissant
tout sur leur passage, avant de devenir solides.
Dans le Labo, De boue et de fureur !, un chercheur hydraulicien de la
CEMAGREF à Grenoble nous fait appréhender quelques-unes des propriétés
curieuses de la boue et de la mécanique des poudres. Nous sommes loin de
tout savoir, en effet, sur les matériaux granulaires, dont font partie les boues et
les sables, et les recherches en cours permettent surtout de mieux contrôler
ces mélanges. À mi-chemin entre le solide et le liquide, la lave de boue, par
exemple, peut faire d’importants dégâts et des travaux de mise en place de
barrages en montagne permettent de limiter son avance vers les vallées.
Quant à Victor Hector, il se demande bien comment il a échappé aux sables
mouvants qui ont failli engloutir le docteur Livingstone. Ayant suivi le même
chemin que le docteur et étant plus lourd que lui il aurait dû s’enfoncer aussi !
Mais, jamais à bout de ressources, Victor Hector trouvera la solution dans son
bol de farine de maïs et d’eau et se rendra compte que les mélanges réagissent
soit comme des liquides soit comme des solides, en fonction de la vitesse des
chocs qu’ils subissent. Notre héros a donc survécu grâce à sa démarche souple
et dynamique.
CENTRE NATIONAL
DE DOCUMENTATION
PÉDAGOGIQUE
Information
DÉCOUPAGE
Labo : De boue et de fureur !
00 min 00 s Extrait du JT sur France 2 (6 mai 1998) sur la catastrophe de
Sarno.
00 min 24 s Exposé de la problématique : la boue torrentielle peut être
dévastatrice. Daniel Jullien, technicien, explique le phénomène et
ses effets. Formation de la lave torrentielle.
01 min 20 s Un scientifique prélève de la terre près d’un torrent pour l’étudier
dans le laboratoire de la CEMAGREF, à Grenoble. Christophe
Ancey, hydraulicien montre les propriétés de la boue, tantôt solide
tantôt liquide, et la différence avec un liquide visqueux.
03 min 00 s L’écoulement de la boue dépend de sa densité.
03 min 30 s Conséquence : une lave de boue coule par en-dessous et peut
porter sans problème sur le dessus quasi-solide des blocs de
pierre de plusieurs tonnes.
04 min 02 s Effet dévastateur de la lave de boue : interview d’un sinistré.
04 min 55 s Les raisons de l’écoulement de boue. Les moyens de le limiter :
mise en place de barrages.
06 min 06 s La boue de Sarno : particularités.
Expérience/Les aventures de Victor Hector : Sable mouvant
00 min 00 s Victor Hector et le docteur Livingstone se sont fait reprendre après
une tentative de fuite de leur prison alors que le docteur
s’enfonçait dans les sables mouvants (mais pas Victor Hector :
pourquoi ?).
01 min 30 s Peut-être n’ont-ils pas pris le même chemin. Or, un seul chemin
existe : hypothèse à éliminer !
01 min 55 s 2e hypothèse : le docteur Livingstone est plus léger que Victor
Hector : ce n’est donc pas un problème de masse. Hypothèse à
éliminer.
02 min 50 s Face à un bol de farine de maïs et d’eau, Victor Hector se rend
compte que ce mélange se comporte comme le sable mouvant : il
réagit soit comme un solide soit comme un liquide, en fonction de
la vitesse des chocs qu’il subit.
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Galilée : Solide et liquide à la fois © CNDP 1998
CARTE D’IDENTITÉ
Discipline, classes et programmes concernés en priorité
Sciences physiques, cycle central : l’eau dans notre environnement.
Autres disciplines ou classes possibles
Sciences physiques, 3e : les matériaux dans l’environnement.
SVT, cycle central : l’évolution des paysages ; roches, eau, atmosphère, être
vivant.
Objectifs de l’émission
Sensibiliser les élèves au fait qu’on ne peut pas toujours classer l’état d’un
mélange comme étant un solide, un liquide ou un gaz.
Étudier les propriétés des corps granulaires mélangés à l’eau.
Principaux thèmes abordés
Étude en laboratoire des mélanges de matières granulaires avec l’eau (boue).
Propriétés de liquide et de solide de ces mélanges. Étude des moyens à mettre
en place pour arrêter les laves de boues. Caractéristiques des sables
mouvants.
Représentations préalables à prendre en compte
En collège, les élèves font assez facilement la différence entre l’état solide,
liquide ou gazeux. Il est possible de faire précéder la projection par quelques
expériences sur le sable et son mélange avec l’eau pour les amener à réaliser
que certains mélanges ne sont pas si faciles à classer.
Vocabulaire prérequis
Solide, liquide, gazeux, solution, m3, masse.
Vocabulaire à expliquer
Hydraulicien, viscosité, lave, érosion, raviner, rustique, fluide, densité,
ambivalence, figé, aval, amont.
Vocabulaire à mettre en place
Mélange, concentration, évaporation, liquéfaction.
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Galilée : Solide et liquide à la fois © CNDP 1998
En classe
SUGGESTIONS PÉDAGOGIQUES
Ø Activité : étude du sable à travers quelques expériences
Physique, cycle central.
Ces expériences permettront aux élèves d’appréhender quelques notions de
mécanique des poudres. Leur exploitation restera du domaine de l’observation
et on évitera de trop entrer dans les détails d’un domaine de la recherche
relativement jeune et inexploré. Cette étude servira plutôt à mettre en
application les connaissances des élèves sur les états liquide et solide ainsi que
sur les changements d’états.
• Liquide ou solide ? En faisant couler du sable dans des récipients de formes
différentes, on se rend compte que le sable n’a pas de forme propre puisqu’il
prend la forme de son contenant : il se comporte comme un liquide. Mais si on
penche de quelques degrés le récipient, la surface du sable ne se met pas à
l’horizontale. Le sable n’a donc pas sa surface libre horizontale : ce n’est pas un
liquide !
• Frottement solide. Si on verse lentement du sable, il se forme un tas de plus
en plus pentu, puis le sable glisse en petites avalanches, la pente n’augmente
plus. Les grains de sable sont liés par le frottement solide. Au-delà d’une
certaine pente (30° à 35°), ce frottement ne suffit plus à s’opposer au poids du
sable. Pour rendre le tas plus pentu, il faut le tasser : l’imbrication des grains
permet de dépasser l’angle de frottement solide. Si on mouille le tas, on peut
même avoir des parois verticales (90°) car l’eau forme avec le sable un
mélange très compact qui doit se dilater pour changer de forme (dilatance, voir
expérience suivante).
• Un sac de sable indéformable. On prend un sac étanche que l’on remplit de
sable, puis d’eau jusqu’à saturation (mais l’eau ne doit pas suinter). Après
fermeture hermétique du sac (en chassant l’air), celui-ci devient indéformable. Il
reste aussi dur que la pierre ! Explication : cette expérience illustre l’effet de la
dilatance : pour que le sac se déforme, le volume du sable doit augmenter
momentanément. Or c’est impossible car tout le volume entre les grains est
occupé par l’eau et le sac est fermé. Le sable, ne pouvant se dilater, reste
bloqué, indéformable.
• Arrêter le temps. On prend un sablier que l’on place au-dessus d’un hautparleur. Avec un générateur basses fréquences (GBF), on fait émettre un son
de fréquence comprise entre 30 Hz et 60 Hz et d’une amplitude d’environ deux
fois la gravitation (il faudra régler en fonction du sablier utilisé) : le sable cesse
de s’écouler ! Ce phénomène est malheureusement inexpliqué pour le moment.
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Galilée : Solide et liquide à la fois © CNDP 1998
• Pression et frottement solide. Cette expérience nécessite trois élèves. L’un
d’eux tient un tube cylindrique en carton (type emballage pour poster), bouché à
une extrémité. Un second élève retient le bouchon du bas tandis que le
troisième va remplir le tube de sable. Lorsque le tube est plein, l’élève qui a
rempli le tube va appuyer de toutes ses forces sur le sommet du sable.
Surprise : celui qui maintient les parois doit fournir de gros efforts, tandis que
celui qui retient le fond ne ressent pratiquement aucune pression. Explication :
à cause du frottement solide des grains de sable, la pression s’exerce sur la
surface du cylindre, plus que sur le fond.
Ø Pistes sur le Labo : De boue et de fureur !
Physique, cycle central. SVT, cycle central. Physique, 3e.
• Le retraitement des eaux usées. Après un premier visionnement du Labo, on
peut se demander ce qui se passe lors du retraitement des eaux usées qui
contiennent des boues. Cette réflexion peut amener à étudier plus
particulièrement le système de traitement primaire (prétraitement) et ce qu’il
advient des boues (incinération ou utilisation comme engrais), dont le volume
est très important.
• Conséquence de l’érosion et de la déforestation. Ce premier module peut
permettre de comprendre ce qu’il advient sur des sols de montagnes non
boisés. Cela servira de support à une réflexion sur le déboisement et sur la
responsabilité de l’homme quant à la qualité de son environnement.
• Ensablement de la baie du mont Saint-Michel. Depuis 1987, le mont SaintMichel est classé au patrimoine mondial de l’UNESCO. Depuis 1995, l’objectif
est de redonner à la baie un caractère maritime. Pour savoir comment
désensabler la baie, la société grenobloise d’étude et d’application hydraulique
(SOGREAH : http://www.sogreah.fr/francais/identite.html) en a construit une
maquette au 1/400e retraçant l’évolution des fonds de 1975 à 1997. Un plan de
sauvetage de la baie a été élaboré, qui permettra d’en refaire une île en 2002.
Après avoir visionné le premier module de l’émission et acquis quelques
connaissances sur le comportement des boues, on pourra s’appuyer sur cet
exemple pour étudier l’envasement des deltas et la transformation des
paysages par sédimentation.
• Histoire (récente) des sciences. Le physicien Pierre-Gilles de Gennes à
travaillé sur les propriétés mécaniques des milieux granulaires. Qui est-il ?
quels sont ses travaux ? pourquoi a-t-il reçu un prix Nobel ? Qu’est-ce qu’un
prix Nobel ?
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Galilée : Solide et liquide à la fois © CNDP 1998
FICHE ÉLÈVE 1
Liquide ou solide ?
[À utiliser en physique, cycle central, après visionnement de l’émission.]
1. Quelle est la différence entre une inondation due à de fortes pluies et un
torrent de boue comme celui de Sarno ? Pourquoi l’appelle-t-on « lave de
boue » ?
2. Rappelez les caractéristiques d’un solide.
3. Rappelez les caractéristiques d’un liquide.
4. La lave de boue possède des caractéristiques de solide et de liquide.
Lesquelles ? Classez ces caractéristiques selon l’état auquel elles
s’apparentent.
5. Pour protéger les vallées des laves de boues on construit des barrages.
Quelle est leur fonction exacte ?
6. Quelques jours après la catastrophe de Sarno, la boue est redevenue solide.
Quel phénomène physique a eu lieu ? Donnez deux autres exemples, tirés de
la vie quotidienne, faisant intervenir ce phénomène physique.
7. Dans le laboratoire de la CEMAGREF, l’ingénieur hydraulicien montre que la
boue n’est pas un liquide visqueux. Comment s’y prend-il ? Citez deux
exemples de liquides très visqueux.
8. Récemment, pour stopper une coulée de lave, lors de l’éruption d’un volcan,
les autorités concernées ont largué de gros blocs de rocher sur la coulée pour
tenter de l’arrêter. Pensez-vous que c’est une bonne idée ? Selon vous, de
quelle manière a-t-on pu finalement arrêter la coulée de lave ?
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Galilée : Solide et liquide à la fois © CNDP 1998
FICHE ÉLÈVE 2
Mélange de farine et d’eau
[À utiliser en physique, cycle central ; après avoir visionné le second module de
l’émission. Ce TP reprend l’ensemble des notions de base du programme : mesure
d’une masse, tare, mesure d’un volume, détermination d’un état physique.]
Lors de cette séance nous allons réaliser différents mélanges de farine de blé
et d’eau afin de déterminer leurs propriétés.
• Notions indispensables
1. Comment caractérise-t-on un état liquide ?
2. Comment caractérise-t-on un état solide ?
• Manipulation
On prépare cinq mélanges de farine et d’eau. Pour cela il faut :
3. Peser, dans cinq béchers (faire la tare avec les béchers), des masses de
farines de 20 g, 40 g, 60 g, 80 g et 100 g.
4. Rajouter, dans tous les béchers, 50 ml d’eau du robinet, mesurés avec une
éprouvette graduée.
5. Mélanger le contenu de chaque bécher de façon à obtenir le mélange le plus
homogène possible.
6. En versant un peu du mélange de chaque bécher dans un tube à essai, puis
sur une surface inclinée, puis en essayant de lui donner une forme précise,
déterminer si le mélange est un solide ou un liquide (remplir le tableau).
Masse de farine (g)
20
40
60
80
100
État du mélange
• Exploitation des résultats
7. Effectuer un compte rendu détaillé en faisant un schéma de chacune des
manipulations.
8. Selon vous, à partir de quelle masse de farine dans 50 ml d’eau, obtient-on
un mélange solide (même de consistance élastique) ? Exprimer la
concentration en farine de ce mélange en g/l (il faudra convertir le volume d’eau
en litre).
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Galilée : Solide et liquide à la fois © CNDP 1998
Documentation
COMPLÉMENTS
1. La boue de Sarno : une force inouïe, peu d’espoir…
« La dépêche vient de tomber, ce mardi 5 mai [1998] dans la nuit. Après vingtquatre heures de pluies diluviennes sur la région de Naples, dans le Sud de
l’Italie, des coulées de boue ont détruit plusieurs villages et touché la ville de
Sarno, située à trente kilomètres au nord-est de Naples. Mercredi matin, le
premier bilan officiel fait état de 30 morts, 300 disparus et 4 000 sans-abri.
L’évolution de nos informations et la proximité de l’Italie nous confortent dans le
choix d’une mission exploratoire. La voiture est le moyen adopté pour se rendre
sur les lieux car elle permet d’être autonome sur place. (Nous avions fait le bon
choix car la presse et les officiels avaient déjà loué tous les véhicules
disponibles dans cette région.) 1 300 kilomètres d’autoroute nous séparent de
la catastrophe ; 14 heures plus tard, nous découvrons cette région peu
touristique de l’arrière-pays napolitain. [...] Nous faisons immédiatement une
première reconnaissance des lieux de la catastrophe. […]
Nous pouvons dès ce moment comprendre l’ampleur de la catastrophe. Sur les
douze coulées de boue, comparables aux phénomènes d’avalanches, trois ont
formé un fleuve de 500 mètres de large qui a traversé la ville de Sarno sur deux
kilomètres, engloutissant le quartier nord et le quartier Episcopio. Une
quatrième coulée a ravagé la partie est de la ville. Siano et Bracigliano sont
touchées sur leurs versants est, peu habités car connus comme des zones à
risque depuis longtemps.
La route de montagne qui les relie à Quindichi est entrecoupée
d'effondrements, rendant la circulation difficile, voire impossible. Le vieux
quartier de ce village est détruit par des mètres de boue qui finissent par se
déverser dans la rivière séparant la ville historique de la nouvelle ville à
l’urbanisation galopante.
Une force inouïe
Franchissant les barrages des voies d’accès aux zones détruites, nous pouvons
aller juger de plus près et constater la puissance du phénomène. La pluie
incessante des derniers jours a décapé la roche que l’on voit maintenant à nu,
entraînant vers les rivières des millions de mètres cubes de boue noire. Une
force inouïe a fait se tordre les piliers en béton armé et pénétré le moindre
interstice. Les places de village sont noyées, laissant voir par endroits des
carcasses de voitures compressées. Sur les bords des zones totalement
englouties sous des mètres de boue, les rez-de-chaussée ont disparu. Une
lande de terre aride touche les fenêtres et parfois les toits. Les engins de
travaux publics, telles d’innombrables fourmis ont commencé très tôt, le
mercredi matin, leur lent travail. [...] L’hôpital de Sarno a été touché de plein
fouet faisant rempart pour le quartier nord. Les malades ont eu le temps de se
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Galilée : Solide et liquide à la fois © CNDP 1998
réfugier au premier étage, le personnel soignant se sacrifiant à toutes les
issues. Deux médecins, cinq infirmières et 2 administratifs y ont laissé leur
vie. […]
Les blessés ont été transférés sur quatre hôpitaux périphériques que sont
Scafati, Pagani, Nocera et Cava, situés à environ dix ou vingt kilomètres, et sur
les centres de référence de Naples et Salerne.
Peu d’espoir…
Nous nous rendons donc sur place pour voir ce qu’il advient des blessés. Au
milieu du flot incessant des véhicules, nous croisons sans cesse des camions
alimentant, soit par citerne, soit par caisses de bouteilles, les villes sinistrées. Il
faut dire que les habitants de cette région ne consomment pratiquement jamais
l’eau des réseaux d’alimentation, ce qui va probablement limiter les risques
épidémiques. […]
De retour sur Sarno, nous sommes retournés vers le fleuve de boue. Après
trois jours de chaleur, la fange avait séché et durci au point qu’on pouvait la
traverser. Au milieu de carcasses tordues, de débris divers d'ustensiles de
maison, de poutres ou fenêtres, il semble évident que les zones de survie,
habituelles sur tremblements de terre, sont ici rarissimes. Il y a peu d’espoir de
découvrir un rescapé sous ces mètres de boue. [...]
Pour nous, secours internationaux, nous pouvons comparer cette coulée de
boue au phénomène d’avalanche. Il est clair que la rapidité d’action est
primordiale. Des équipes de secours autonomes et très mobiles doivent se
rendre au contact de la population, apportant les premiers soins (nettoyage,
désinfection, parage et emballage) et surtout un soutien psychologique.
Point de vu technique
Cette mission a été importante car elle nous a permis de mieux situer la
position d’une structure comme COSI dans une crise aussi particulière que la
coulée de boue.
Dans de telles catastrophes, l'accès aux zones de travail est souvent difficile,
voire impossible, du fait de la liquidité du sol, nous le savions d’Arméro en 86.
Le travail le plus important se trouve être la mise en place de petites structures
médicales mobiles allant au contact des victimes. Sur la ville de Sarno, nous
avons rencontré des équipes cynophiles italiennes, qui ont rencontré d’énormes
difficultés pour travailler avec les chiens. La boue était trop liquide ou trop
compacte pour permettre le travail des chiens de catastrophe. »
© COSInfos n° 15, mai-août 1998,
http://perso.wanadoo.fr/cosi.france/cosi15.htm.
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Galilée : Solide et liquide à la fois © CNDP 1998
POUR EN SAVOIR PLUS
À lire
HANN Judith, La Science, Le Seuil, coll. « Guides pratiques jeunesse », 1991.
« Le Mont-Saint-Michel sauvé des sables », de Jean-Philippe Noël, Science &
Vie n° 966, mars 1998.
« Un savant nommé Pierre-Gilles de Gennes », Science & Vie, hors-série
n° 192, septembre 1995.
À voir
Mélanges, CNDP/La 5e, Galilée, série « Des phénomènes et des hommes »,
cassette VHS (2 x 26 min), 1998, réf. 002 K1053, 120 F. Émission sur solides,
liquides et gaz. Les causes et les mesures de la pollution ; une expérience sur
les mélanges solide/liquide. Lavoisier ou l’histoire de la chimie moderne. Les
conséquences de l’éruption du volcan Pinatubo. Cette cassette comprend aussi
l’émission L’eau change d’état.
Le dépollueur d’eau, CNDP/Gédéon/La 5e, coll. « Têtes chercheuses »,
cassette VHS (13 min), 1997, réf. 002 E0252, 140 F. Sur la dépollution des
eaux usagées.
À consulter
http://ourworld.compuserve.com/homepages/ermif : traitement et dépollution
des boues par les biotraitements.
http://perso.wanadoo.fr/part.environnement/index.html : valorisation des boues
par le groupe PE.
http://www.umedia.univ-nantes.fr/MSM/PAGES/blahisto.htm : historique du
Mont-St-Michel.
http://perso.wanadoo.fr/cosi.france/comsarn.htm : agence de secours qui
explique l’ampleur des dégâts à Sarno.
À utiliser
Cédérom de l’Encyclopédie Universalis : chercher sous « Thixotropiques
(boues)» et éventuellement sous « Géotechniques (limites d’Atterberg) » et
sous « Sols – propriétés physiques et mécaniques ».
ð Les références renvoient aux productions du CNDP.
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Galilée : Solide et liquide à la fois © CNDP 1998
RENSEIGNEMENTS PRATIQUES
Diffusion
Émission de
Plateau
Présentation
Durée
Modules
Public
Indexation
Jeudi 10 décembre 1998 / La Cinquième / 9 h 55
Jacques-Olivier Baruch (assisté d’Isabelle Bayrou)
Michel Vérot
Stéphane Lavignotte
13 minutes
Labo : De boue et de fureur !, auteur David Ernaux, réalisateur
Medhi Zegoun (7 min)
Expérience/Les aventures de Victor Hector : Sable mouvant,
auteur de l’expérience David Ernaux, auteur-réalisateur
Christophe Barraud (4 min)
Physique, cycle central.
Descripteurs Motbis : Lave – Sable – Solidification
OBJECTIFS DE LA SÉRIE DES FAITS AUX PHÉNOMÈNES
Cette série s’attache à décrypter des phénomènes physiques et chimiques
naturels ou industriels précis. Phénomènes que les hommes tantôt subissent,
tantôt utilisent à leurs fins. On retrouvera dans chaque émission ces deux
aspects, ainsi que l’état des connaissances et des méthodes pour les acquérir,
à travers des expériences et des modélisations graphiques.
Chaque émission de treize minutes est consacrée à un thème et se compose
de deux modules :
– Le module Labo part d’une situation de crise et met en évidence un
phénomène physique ou chimique qu’il va s’agir de décrypter dans le cadre
d’un reportage chez des scientifiques au travail, sur le terrain comme en
laboratoire. Ce phénomène sera analysé puis modélisé.
– L’Expérience illustre de façon humoristique un autre aspect du thème.
Fondée sur la démarche scientifique, avec ses questionnements, ses
hypothèses, ses errements, ses échecs et ses réussites, l’expérience a une
explication simple et permet de tirer des conclusions.
Guide élaboré par Jean-Luc Richter
Coordination : Lydia Bretos
Assistantes d’édition : Séverine Blondeau, Pauline Guinand