Un material granular es un material compuesto por una gran cantidad de partículas sólidas distintas, granos (ver también el artículo tamaños de grano ), que no están unidos por enlaces covalentes (es decir, enlaces químicos). ). Esta división en múltiples elementos da como resultado comportamientos particulares de estos materiales, por lo que muchas propiedades a gran escala son independientes de las propiedades individuales de los granos.
Este tipo de material se encuentra en multitud de ámbitos, tanto naturales ( arenas y dunas , rocas en alud , avalanchas , etc.) como industriales (preparación de fármacos, fabricación de hormigones, pinturas, granulados , áridos , etc.) o incluso agroalimentario (granos de maíz, trigo, etc.).
Los materiales divididos están formados por granos distintos, cuyas colisiones disipan la energía.
A nivel de grano, el término material granular ya no se aplica cuando estos últimos están sujetos a agitación térmica y movimiento browniano . Así, cuando los granos tienen tamaños característicos del orden de un micrómetro o menos, hablamos de coloides . Por otro lado, no existe un límite superior real para el tamaño de los granos, ya que también podemos hablar de granular cuando estudiamos la formación de planetas a partir de asteroides en el espacio. Los granos pueden tener diferentes formas, o incluso ser deformables. Una suspensión en la que todos los granos tienen el mismo tamaño se dice que es monodispersa ; de lo contrario, se la denomina polidispersidad .
El fluido que se encuentra entre los granos también es de gran importancia. Generalmente pensamos en el aire, pero puede actuar como agua (por ejemplo, arena bajo el mar o en un río) u otro fluido (aceite, polímeros). Luego hablamos de materiales granulares sumergidos. Cabe señalar que si la densidad de los granos se acerca a la del fluido, entonces se habla de suspensión , porque los granos no sedimentarán en el fluido.
La compacidad es la relación entre la cantidad de grano en un volumen dado y el volumen total de material granular. Para granos esféricos mono-dispersos, esta relación varía entre 0 para un gas granular (ver párrafo siguiente) y 0,64 (apilamiento compacto aleatorio). Nótese que en el caso de un apilamiento no aleatorio, la relación podría alcanzar un máximo de 0,74 ("cristal" compacto hexagonal), pero esta compacidad nunca se alcanza en la práctica en el manejo habitual de materiales granulares.
Los choques entre granos son la principal fuente de disipación de energía durante el movimiento de un material granular seco, y están en el origen de los comportamientos particulares de estos materiales. Durante la colisión inelástica de dos granos, parte de la energía se disipa en forma de calor en los granos. La cantidad disipada se puede calcular a partir del coeficiente de restitución del material. Además, cuando la colisión se produce con una velocidad tangencial entre los granos, aparecen fuerzas de fricción que modifican la dinámica de movimiento de los granos. Sin embargo, la energía disipada debido a estas fuerzas es generalmente menor que la energía disipada por la colisión inelástica. Finalmente, cuando el material granular se sumerge en un fluido, tienen lugar interacciones con el fluido que también son disipativas (en particular en el caso de fricción con un fluido viscoso, cf. arrastre ).
Los materiales granulares pueden exhibir, dependiendo de la energía que se les suministre, comportamientos que a veces se acercan a los de un sólido, a veces a los de un fluido o un gas.
Se comporta como un fluido porque:
Pero no es un fluido porque su superficie no es plana, sea cual sea la inclinación del recipiente (a diferencia de un líquido que mantiene su equilibrio con una escora de cero grados). Su plano de pendiente, o ángulo de pendiente , depende de las propiedades del material y, en particular, del nivel de humedad. De manera muy general, en un ambiente seco, el ángulo de pendiente es de 30 grados en promedio.
Los materiales granulares se apilan unos encima de otros y se autobloquean hasta el punto de tener a veces un efecto de bóveda que detiene todo el flujo. Para romper esta bóveda basta con una vibración (fenómeno de resonancia). Cuando se compacta al máximo, los materiales granulares retienen un vacío entre ellos que representa el 25% del volumen total.
A diferencia de la mayoría de los otros materiales sólidos, un material granular compactado tiende a expandirse (expandirse en volumen) cuando se corta. Esto se debe al entrelazamiento de los granos en estado compactado: estos granos, por lo tanto, no tienen la posibilidad de reordenarse por simple deslizamiento. Cuando se carga el racimo de granos, se produce un fenómeno de arco entre granos vecinos, lo que produce una expansión de la muestra. Por otro lado, al comprimir un material granular inicialmente suelto, comienza a compactarse en lugar de expandirse bajo cizallamiento. Se dice que un material granular se dilata si su volumen aumenta al aumentar el cizallamiento y se contrae si su volumen disminuye al aumentar el cizallamiento.
Estamos hablando de un medio granular fluido