Les matériaux

Tout le monde se secoue ! 

J’ai commencé (samedi 21 avril 2018 à 19h11) la rédaction d’un tutoriel au doux nom de « Les matériaux » et j’ai pour objectif de proposer en validation un texte aux petits oignons. Je fais donc appel à votre bonté sans limites pour dénicher le moindre pépin, que ce soit à propos du fond ou de la forme. Vous pourrez consulter la bêta à votre guise à l’adresse suivante :

Merci !

Bonjour,

J’ai depuis un moment pour projet de parler de choses que tout le monde est censé connaitre, au sens de choses vues dans le programme des petites classes. J’ai pris le programme de sciences sur Eduscol cycle 2 et 3 (école primaire française, soit 6 à 10 ans, en gros). Je compte abordé, dans une série (mais chaque chose en son temps), les différents points. Sauf que comme je ne serais pas lu par des enfants, je m’en sers comme prétexte pour aller plus loin, quitte à voir des choses simples, mais pas abordée au lycée.

Dans l’idée, un solide n’est pas un matériau avec une organisation cristalline des atomes, puisqu’il existe des amorphes. Et je veux en parler (ce qu’on ne fait pas au collège / lycée).

Voici donc le début de ce tuto, qui porte sur la matière et les matériaux. Il est normalement sans prérequis.

Ce que est fait :

• le texte de la première partie ;
• des intro et conclusions probablement un peu rapides ;
• un relecture orthographiques correcte mais pas parfaite.

Ce qui n’est PAS fait :

• les images ;
• dans certains chapitre, les sources ;
• toute la deuxième partie ;
• la miniature.

L’air de rien, avoir une classification claire, simple et juste des matériaux est très complexe. La différence entre un mélange et un composite, entre un solide et un fluide rhéofluidifiant au repos, entre un cristal et un amorphe, c’est parfois un peu compliqué à bien expliquer. Je veux bien des retours sur ça.

Salut,

Dans l’idée, un solide n’est pas un matériau avec une organisation cristalline des atomes, puisqu’il existe des amorphes. Et je veux en parler (ce qu’on ne fait pas au collège / lycée).

En voilà une bonne idée ! Problème, tu t’enfermes dès le début dans le piège classique de définir les états de la matière par leur comportement rhéologique. À mon avis, si cette classification avait du sens il y un petit siècle lorsque le comportement à long terme des matériaux était inaccessible, ce n’est plus le cas aujourd’hui, du moins pas lorsqu’on veut aller un peu en dehors de ce qui se fait au lycée.

Ta définition d’un solide

La matière est solide lorsque sa forme au repos reste inchangée. Autrement dit, si vous poser un bloc solide sur une table, il ne bougera pas. Tant que vous n’exercerez pas de force sur lui, il reste immobile et ne se déforme pas. Il a une force et un volume propre, qu’il conserve.

n’est valable que pour un monocristal parfait (et effectivement soumis à aucune force, donc pas un cube posé sur un table dans le champ de gravité terrestre). Dès que tu as des imperfections ou pire un empilement de cristal, ton solide va se déformer. Et je ne parle même pas des amorphes qui tirent carrément sur le liquide même si on prend une définition plus pertinente de ce qu’est un liquide (i.e. un ensemble de molécules/atomes faiblement liés).

Même chose pour la définition de liquide et de gaz, tu donnes en fait la définition de fluide qui va en fait aussi s’appliquer à un solide imparfait à longues échelles de temps.

Petit détail au passage :

On peut en dire un peu plus sur la forme des liquides. De manière générale, un liquide cherche à minimiser sa surface, d’où l’absence de bosse. Cela est dû à la tension de surface (dont l’existence sera justifiée par des mécanismes microscopiques plus tard). Retenez juste qu’il existe une force qui tend à rassembler les liquides, en diminuant leur surface. En apesanteur, les liquides forment donc des boules.

Le fait que les liquides (plutôt les fluides vu ta définition) forment des boules n’a à voir avec la tension de surface qu’à petite échelle. Au-delà c’est la gravité qui joue, les planètes et les étoiles sont clairement pas sphériques à cause de la tension de surface.

Autre détail tant que j’y suis :

La plus notable est le passage de l’eau liquide à la glace : augmenter la pression tend à liquéfier la glace (ce qui n’est pas le comportement habituel).

À ce stade du cours, ça me parait anecdotique et source de confusion, ce n’est vrai que pour la transition vers la glace 1, et la gamme en température pour pas se retrouver avec de la vapeur en diminuant la pression en partant d’un liquide est très serrée autour de 0°C. Appuie encore sur ton liquide et tu vas obtenir de la glace 5 ou 6. Ce serait plus intéressant à mentionner plus loin si tu abordes les diagrammes de phase.

J’ai repéré deux trois autres petites erreurs dans le genre, mais je les relèverai plus tard.

Bref, le but de mon message, c’est surtout pour te conseiller de ne pas tomber dans l’écueil qui consiste à définir les états de la matière par leur comportement rhéologique. C’est désuet, et ça rend le discours plus confus qu’autre chose parce que dès qu’on aborde autre chose que les cas idéaux, on est obligés de se trouver des excuses sur pourquoi notre solide se comporte comme un liquide ou pourquoi un mélange se comporte bizarrement.

Pour la définition rhéologique, c’est volontaire. Contrairement à toi, je pense que c’est la bonne définition, et que pour les amorphes, et bien, ce sont des amorphes avant d’être des liquides. J’ai d’ailleurs distingué deux parties, la première macroscopique, dans laquelle je ne veux pas distinguer une vitre et un bout de métal, et une deuxième, microscopique.

Tu pointes cependant indirectement une absence de taille dans ce que j’ai rédigé : le temps n’apparait pas. Macroscopiquement à l’échelle du jour, pas besoin d’un monocristal parfait pour avoir un solide rhéologique. Par contre, un glacier coule sur l’année. Il manque clairement ce point pour nuancer la différence entre liquide et solide. Mais sans un bon argument, je ne souhaite pas changer pour une définition non rhéologique. Pour info, je ne compte aller hyper loin : j’ai rédigé en gros la moitié de ce que je compte mettre dans le tuto.

J’ai repris le programme de physique du lycée, et on n’y parle pas des états de la matière (j’ai fait une recherche de « solide » et « liquide » sur les documents de 2^sd, 1^ère et T^le, et rien sur les états). Autrement dit, la plupart des gens s’arrêtent à la définition du collège, où solide = bouge pas = cristal. Je souhaite, personnellement, casser cette deuxième égalité. Mais donc, ne pas aller beaucoup plus loin que ce que j’ai mis ici, c’est déjà pas mal¹.

Le fait que les liquides (plutôt les fluides vu ta définition) forment des boules n’a à voir avec la tension de surface qu’à petite échelle. Au-delà c’est la gravité qui joue, les planètes et les étoiles sont clairement pas sphériques à cause de la tension de surface.

En effet.

À ce stade du cours, ça me parait anecdotique et source de confusion, ce n’est vrai que pour la transition vers la glace 1, et la gamme en température pour pas se retrouver avec de la vapeur en diminuant la pression en partant d’un liquide est très serrée autour de 0°C. Appuie encore sur ton liquide et tu vas obtenir de la glace 5 ou 6. Ce serait plus intéressant à mentionner plus loin si tu abordes les diagrammes de phase.

Pas de thermo de prévu ici, donc pas de diagramme de phase. Mais tu as raison, l’exemple est mal choisi et peu parlant. Pour rester sur des choses un peu intuitive², dire que l’eau gonfle en gelant, mais que c’est un comportement anormale, est beaucoup plus intéressant. Et pour avoir côtoyer des instituteur qui croyait que c’était le comportement normal et apprenait ça à leurs élèves, je suis obligé de le dire.

En fait, ce qui m’embête méchamment avec l’approche rhéologique, c’est qu’elle n’est valable qu’en prenant une échelle de temps et une déformation maximum autorisée à laquelle on regarde l’objet sans pour autant que la matière ait subit de changement de phase. Elle est donc complètement arbitraire dans sa réalisation. Un bitume, c’est un solide amorphe ou un liquide très visqueux ? La réponse en utilisant les critères rhéologiques va dépendre de si on le regarde pendant un jour ou pendant 10 ans. Le bitume est un exemple parlant parce que ce temps limite est grand sans être hors de portée pour un humain. Mais quid de n’importe quel liquide qui ressemble à du verre comme deux gouttes d’eau si on le regarde pendant quelque nanosecondes ou bien du manteau terrestre qui ressemble à un liquide si on le regarde pendant quelque millions d’années ? On a une barre à placer, et la position n’a rien de triviale (je ne suis d’ailleurs même pas sûr qu’il existe un temps qui mette tout le monde d’accord, il y a bien moyen qu’on puisse toujours trouver un liquide et un solide au sens microscopique qui seront pas du bon côté quelque soit le temps qu’on prend). T’as le même problème avec l’échelle spatiale à laquelle tu regardes le matériau. Un cristal imparfait se déforme à l’échelle atomique (je parle bien d’un mouvement moyen, pas du fait que les atomes se baladent un peu), ça se voit même au MEB en appuyant dessus à l’échelle de l’heure, les dislocations se promènent pour accommoder la déformation.

Ce que je n’aime pas non plus avec cette définition rhéologique, c’est qu’elle empêche de répondre à la question de savoir si ce que tu appelles les solides amorphes doivent être vus plutôt comme des liquides métastables ou bien des solides juste parce qu’ils ont de notre point de vue humain un comportement solide. Question à laquelle je ne me risquerais pas de répondre parce qu’elle est en fait mal posée : elle force le répondant à faire un choix arbitraire sur ce qu’est un solide. Ce qui est plutôt gênant et pour moi le meilleur signe que ce sont les définitions qu’il faut revoir plutôt que de mettre ça sous le tapis d’une histoire d’échelle de temps.

Donc pour moi fondamentalement, on ne peut pas choisir de ne casser qu’une seule de ces égalités :

solide = bouge pas = cristal

Dès qu’on casse l’une des deux, on est obligé de casser l’autre. Sinon on passe à côté de ce qui rend intéressant et pertinent le fait de casser solide = cristal.

Si je suis bien, tu prendrais comme définition uniquement l’intensité des forces d’interaction internes. Pas de rhéologie, pas de réorganisation macro.

Faut que j’y réfléchisse, mais comme ça, je ne suis pas fan.

Bonjour,

Je reprends l’écriture de ce tuto. Je suis confronté à un problème de plan, et plus je me documente, plus je bloque.

Mon but, avec ce tuto, est de faire un tour d’horizon des matériaux. Les grandes classes de comportement, ce genre de choses. Problème : aucune des sources que j’ai pu trouver ne fait ça. Toutes présentent un sous-ensemble. Les grands types (métal, céramique), la structure (fibre vs grains), les liquides complexes (matière molle), la microstructure (cristaux, solides amorphes, gaz), les mélanges…

J’ai tenté de relier tout ça, et mon premier plan (béta actuel) était :

• Types
• États (rhéologie)
• Composites & mélanges
• États complexes
• Structure
• Microstructure

Suite aux remarques de la béta, j’ai tenté de remanier pour mettre l’emphase sur la structure, ça donne ça :

• Types
• Structure (dont composites et mélanges)
• Microstructure
• Rhéologie

Sauf que la structure regroupe plein de choses très différentes. Parler d’un côté de mélanges (eau + huile, par exemple), et de l’autre de fibre fait apparaître deux matériaux qui sont certes non homogènes/isotropes, mais n’ont rien en commun. Ce que je veux dire, c’est que lister les différentes classes n’a pas que peu d’intérêt pédagogique. L’intérêt apparait dans les cours normaux par le contexte : mécanique dans le cas des fibres, matière et écoulement complexe pour les grains, matière molle pour les mélanges liquide + solide, cours sur les mélanges (liquides / solide / gaz) dans le cadre du lycée… Sauf que pas grand-chose ne relie ces différentes approches là.

Je ne trouve pas de fil conducteur clair pour mon tour d’horizon, qui devient un inventaire des différentes manières d’aborder les matériaux. J’ai l’impression de parler des instruments de musiques en les classant par leur type (cordes, vent…), puis leur tonalité (aigüe, grave), puis leur usage (jazz, métal, classique), sans cohérence interne au tuto ni intérêt véritable.

Donc, avez-vous des idées ? Faut-il que je prenne un parti pris sur une direction (lequel…) ? Que j’abandonne des choses (les mélanges, par exemple) ?

Je pense savoir comment m’en sortir : je pense ajouter une grosse intro pour justement parler de cette complexité. Avec deux exemples (typiquement comparaison eau / glace / fer / sel pour type et microstructure, et sable / verre / grain de sable pour la structure et les amorphes), on peut introduire le plan et la cohérence derrière.

Après, 5 parties :

• Types (métal, céramiques — surtout physique)
• Structure (fibre, grains, tissus — surtout méca)
• Microstructure (cristal, liquide, gaz, amorphe)
• Rhéologie
• Matière molle (liquide rhéo-spéciaux, mélanges)

Les composites (et dans une moindre mesure les mélanges) seraient alors fondus dans les autres parties.