Évolution du montage expérimental

Si le montage semble simple et évident, il a en réalité fait l’objet de nombreux ajuste-ments au fur et à mesure de l’avancée de cette thèse.

La première version du montage date de la thèse d’Osvanny Ramos en 2005 à Oslo : l’expérience était à l’origine prévue pour cisailler un tas de billes d’acier (voir la figure III.4). L’expérience a ensuite été mise de côté pendant plusieurs années jusqu’à l’arrivée d’Osvanny à Lyon. Le projet a été relancé, et la conception de l’expérience reprise, grâce à

III.2 Dispositif expérimental

M

Réducteur 500:1

Pignons et chaîne (réduction 44:10) Moteur pas-à-pas

Cylindres concentriques transparents Polariscope Transducteur LEDs blanches Couronne d’entraînement Monocouche de cylindres en DurusWhite430

Masse ^{Masse pour pression de confinement}

Couplemètre et couronne fixe

∼

20

cm

28,5 cm

FigureIII.3 – Vue latérale du dispositif expérimental. Le cisaillement est effectué grâce à une couronne crantée (les 99 crans sont des demis cylindres de 6,4 mm de diamètre) réalisée en Durus White 430. Cette couronne est reliée via un système de pignons-chaîne (réduction totale 2200:1) à un moteur commandé en vitesse ou en couple. La couche supérieure de l’empilement est maintenue fixe par contact avec une couronne crantée jumelle de celle inférieure mais reliée au bâti via un capteur de force Interface SML-900N de raideur élevée, jouant le rôle de couplemètre. Cette couronne supérieure sert également à transmettre la pression de confinement appliquée par des poids posés dessus.

Chapitre III. Simulation expérimentale d’une faille tectonique

Figure III.4 – Photographies du premier montage imaginé par Osvanny Ramos à Oslo. Le milieu granulaire était constitué de billes d’acier, et l’observation se faisait par le haut grâce à un miroir plan tournant.

Figure III.5 – Montage expérimental au début de ma thèse.

l’expertise de Gilles Simon. Grâce à un financement Axa Research Fund, Ramon Planet a continué le développement de l’expérience pendant 2 ans.

Lorsque j’ai commencé ma thèse, l’expérience (figure III.5) avait fourni des résultats préliminaires prometteurs, mais de nombreux problèmes n’avaient pas encore été résolus. Le problème principal était dû au milieu granulaire : un jeu monodisperse de grains de diamètre 6,4 mm et d’épaisseur 3,6 mm était utilisé. Comme on le distingue sur la figure III.5, pendant le cisaillement, d’importantes zones de l’empilement cristallisaient en maille hexagonale (maille la plus stable), ce qui modifiait drastiquement la résistance au cisaille-ment du milieu granulaire. De plus, à cause de la faible épaisseur des grains, il arrivait très souvent que des grains sortent de la monocouche et se chevauchent, créant une singularité dans l’empilement sous la forme d’un point de frottement élevé et difficilement mobile. La solution a été d’imprimer un nouveau jeu de grains, d’épaisseur plus grande (4 mm) et bidisperse (6,4 et 7 mm de diamètre en proportions égales). Le problème du chevauche-ment de grains n’a pas été complètechevauche-ment réglé ainsi, et il a fallu augchevauche-menter le centrage des cylindres de plexiglas grâce à des cales, afin de réduire au maximum les jeux de coaxialité.

III.2 Dispositif expérimental Le second problème important venait de la façon dont on contrôlait le cisaillement : on utilisait un moteur universel 12 V alimenté en courant continu par une alimentation stabilisée en tension. Le réglage grossier de la vitesse de rotation se faisait en modifiant la tension d’alimentation entre 6 V et 12 V. Le moteur ajustait naturellement sa vitesse et son couple en fonction de la résistance du système au cisaillement. Ainsi ni la vitesse ni le couple appliqué n’étaient contrôlés précisément. La première solution mise en place a été de remplacer l’alimentation à tension constante par une alimentation à courant constant, afin de fixer le couple appliqué. En effet, pour un moteur universel idéal, le couple produit est proportionnel au courant consommé.

Cette solution a été utilisée pendant quelques temps, puis nous avons voulu pouvoir contrôler la vitesse de cisaillement plutôt que le couple. Il aurait fallu ajouter un rétro-contrôle du courant d’alimentation pour maintenir la vitesse la plus constante possible. Nous avons décidé d’explorer une autre voie en changeant le moteur (qui commençait par ailleurs à montrer des signes de fatigue). Nous l’avons remplacé par un moteur de type brushless de ventilateur informatique : la commande à courant constant fonctionnait, mais pas la commande en vitesse, prévue sur ce type de moteur en modifiant la tension d’alimentation (ces moteurs sont prévus pour tourner pendant des temps très longs, mais ils ne sont pas prévus pour subir des variations rapides de résistance à la rotation). L’idée suivante a été d’utiliser un moteur de modélisme (drone). Ces moteurs sont alimentés via un contrôleur externe qui génère un courant d’alimentation adapté. La commande en vitesse fonctionnait ici avec une variation inférieure à 5 %, ce qui était acceptable. Mais le moteur était utilisé à proximité de sa limite basse en vitesse, c’est-à-dire que nous ne pouvions réduire la vitesse de cisaillement, mais seulement l’augmenter. C’est pourquoi l’utilisation d’un moteur pas-à-pas s’est imposée pour pouvoir profiter d’une grande gamme de vitesses accessibles. Dans la configuration standard, le moteur effectue 400 pas par minute, soit une impulsion toutes les 150 ms. Le moteur est limité à une impulsion toutes les 10 ms (vitesse haute) et la seule limite basse en vitesse est due à la nécessité d’avoir un mouvement quasi-continu (une impulsion correspond à un déplacement d’environ 2 μm). Ici le fait d’avoir une impulsion toutes les 150 ms peut sembler discontinu, mais vu le rapport de réduction total 2200:1 et les jeux mécaniques (tension de chaîne, engrenages du réducteur), le cisaillement effectif de l’empilement peut être considéré comme continu. La troisième évolution majeure de l’expérience a été la mise en place du suivi optique par webcams : 12 webcams Logitech C920 ont été placées à intervalles angulaires réguliers (30°) autour de l’empilement. La régularité des espacements a été obtenue en fixant les caméras sur une jante de vélo, déjà percée de 36 trous pour les rayons. La principale diffi-culté est d’assurer l’alignement du plan focal de la caméra avec les cylindres de plexiglas : l’alignement doit être parfait à la fois verticalement et horizontalement. Le moindre écart se répercute ensuite sur l’image panoramique. Celle-ci est obtenue par interpolation des positions réelles des pixels par rapport aux positions projetées (la méthode est décrite plus en détail dans l’annexe B). On obtient donc une image du cylindre projetée sur un plan, ce qui permet de connaître la position de tous les grains dans l’empilement et, grâce à la

Chapitre III. Simulation expérimentale d’une faille tectonique

photoélasticité, d’avoir une donnée qualitative sur les chaînes de force.