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18/06/2014 Ces ondes qui rompent les contacts

par Laurence Gallitre - 18 juin 2014

Ces ondes qui rompent les contacts

Une équipe du Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (LTDS, CNRS/Ecole Centrale de Lyon/Ecole Nationale d’Ingénieurs de Saint-Etienne), en collaboration avec des chercheurs norvégiens et anglais, a développé un modèle numérique permettant d’étudier la dynamique de mise en glissement de deux solides rugueux. Les chercheurs ont ainsi reproduit pour la première fois le ralentissement brutal de l’onde qui rompt les microcontacts assurant la résistance de l’interface, et analysé son origine. Ces résultats, publiés dans PNAS, devraient bénéficier à de nombreux travaux en sciences de la Terre et en ingénierie des matériaux.

Pour déplacer une armoire, il faut lui appliquer une force latérale suffisante avant qu’elle ne commence à glisser. Cette mise en glissement paraît instantanée, mais elle se produit en réalité progressivement : elle démarre dans une petite région de l’interface de contact entre le sol et le pied, puis cette région s’étend à toute l’interface. Aucun mouvement de l’armoire n’est détectable avant que la région glissante n’ait envahi l’ensemble de l’interface. La périphérie de la zone glissante, appelée « front de rupture », se déplace à la manière d’une onde. L’avancée du front est généralement très rapide, de l’ordre de plusieurs centaines de mètres par seconde pour les matériaux courants. Cependant, des expériences menées récemment sur le plexiglas®, un matériau frottant « modèle », ont montré que ces fronts peuvent parfois subir un ralentissement brutal, continuant leur course environ cent fois plus lentement. L’origine de ces fronts anormalement lents restait mystérieuse.

Pour l’identifier, les chercheurs du LTDS (CNRS/Ecole Centrale de Lyon/Ecole Nationale d’Ingénieurs de Saint-Etienne) et leurs collègues des Universités d’Oslo (Norvège) et d’Exeter (Royaume-Uni), ont développé un modèle numérique permettant d’étudier la dynamique de mise en glissement de deux solides rugueux. Leur modèle inclut non seulement les déformations du solide lorsqu’on le pousse, mais aussi la rupture de la multitude des contacts microscopiques entre les aspérités des solides, qui constitue l’interface de contact. Ce modèle a permis de reproduire pour la première fois les fronts lents observés expérimentalement puis d’identifier les mécanismes à leur origine.

Contre toute attente, les chercheurs ont montré que les fronts lents ne sont pas des fronts rapides qui auraient ralenti. Ce sont en fait des fronts qui se sont arrêtés, et qui ont pu reprendre leur avancée mais à un rythme bien plus lent. Quel est le mécanisme responsable de cette reprise du mouvement ? Selon les scientifiques, il s’agit d’une conséquence de l’échauffement important de l’interface rompue par le front avant son arrêt temporaire : cet échauffement ralentit le recollement de l’interface, laquelle continue à glisser très lentement. Dans certaines conditions, également identifiées par les chercheurs, ce glissement lent est suffisant pour autoriser le front arrêté à redémarrer et à avancer à une vitesse proportionnelle à celle du glissement lent.

Ces avancées théoriques pourraient avoir des implications dans de nombreux domaines, tant en ingénierie qu’en géophysique. Les fronts de rupture étudiés sont par exemple analogues à ceux mis en jeu à la source des tremblements de Terre, lorsqu’une portion de faille sismique rompt et se met à glisser. Dans de nombreux endroits, un glissement tectonique lent a été observé. Les résultats de l’étude relatée dans PNAS suggèrent alors que la rupture des failles avoisinantes pourrait se produire via des fronts lents, bien moins destructeurs que les fronts rapides, mais aussi plus difficilement détectables par les sismomètres classiques.

© Université d’Oslo

Le système modélisé (en vert), est un patin rectangulaire, pressé sur une base solide puis poussé jusqu’à sa mise en glissement. La rupture de l’interface (en rouge) est progressive au cours du temps, avec un front lent survenant au milieu de l’interface
Références :
Slow slip and the transition from fast to slow fronts in the rupture of frictional interfaces
J.K. Trømborg, H.A. Sveinsson, J. Scheibert, K. Thøgersen, D.S. Amundsen, A. Malthe-Sørenssen
Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, publié en ligne le 2 juin 2014 :
et dansl’édition papier du 17 juin 2014 :
Contact chercheur :
Julien Scheibert
Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS)
Julien.scheibert@ec-lyon.fr
Tel : 04 72 18 62 26


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