Les astéroïdes binaires ont un rôle d'importance fondamentale dans la détermination de paramètres astéroïdales difficilement mesurables de la Terre, en particulier la masse. En étudiant l'origine des binaires dans le cadre des agrégats gravitationnels, ils servent ainsi comme laboratoires naturels pour la physique des systèmes granulaires à basse gravité, et ils nous donnent des éléments précieux pour la modélisation globale des astéroïdes. Vue la grande diversité existante de caractéristiques des systèmes binaires observés, nombreuses hypothèses ont été postulées pour leur origine (fragmentation catastrophique d'un corps et ré-accumulation sous forme binaire, influences de marée par les planètes, cratérisation, YORP ...). Dans cette thèse nous explorons, grâce à des simulations numériques à N corps, la dynamique d'un agrégat gravitationnel en dehors du régime de stabilité pour un corps simple, en cherchant les configurations les plus favorables à la formation d'un système binaire. Dans une première partie, nous montrons que dans un scénario catastrophique la formation de systèmes binaires est normale, ces-ci bien reproduisant la variété présente dans la population observée. En suite, nous explorons la possibilité d'une déformation progressive d'un agrégat vers un système binaire sous l'action d'une force perturbante agissant lentement jusqu'à la fission éventuelle du corps. Nos résultats proposent des nouveaux regards dans l'étude de la formation des astéroïdes binaires, comme montré par une comparaison avec les observations et la littérature existante.

Ce travail vise à décrire la réponse mécanique de matériaux divisés tels que les mousses aqueuses et les matériaux granulaires. Ces systèmes ont un comportement de type élastique à faible déformation et plastique au-delà d'une déformation seuil. Le caractère localisé des événements de plasticité et la longue portée des interactions élastiques conduisent à des phénomènes comparables de localisation d'écoulement, d'intermittence et de vieillissement induit par le cisaillement. Nous avons cherché à les étudier au moyen d'approches expérimentales et numériques variées associant des mesures aux échelles locales et globales. Nous avons par ailleurs développé des mesures, résolues spatialement, des déformations et contraintes mécaniques aux interfaces de frottement. Nous avons notamment développé un capteur tribologique, utilisant des micro-capteurs de force de type MEMS, qui permet une mesure dynamique des contraintes à la base d'un film élastique en frottement. Ce senseur, qui constitue un analogue rudimentaire du système mécanorécepteur/peau, a été mis à profit dans le cadre d'une étude de la transduction de l'information tactile dans le toucher humain par une approche de type bio-mimétique.

Un ensemble de particules avec interactions répulsives, dans un empilement dense, se bloquent dans un état rigide: sous cisaillement, ces systèmes ont une contrainte seuil avant de céder. Pour des particules sans friction et à température nulle, l'empilement, à la transition de Jamming, est isostatique. Les propriétés mécaniques et géométriques présentent de nombreuses lois d'échelles avec la distance au Jamming qui peut alors être vu comme un point critique. La généralisation de ce concept en présence de température et son lien avec la transition vitreuse ont fait récemment l'objet de nombreux travaux et laissent encore de nombreuses questions ouvertes. Nous tentons d'apporter des éléments de réponse à celles-ci en étudiant expérimentalement la dynamique des particules et du réseau de force d'un empilement désordonné de disques bi-disperses photo-élastiques vibrés horizontalement, dont nous varions la fraction surfacique pour plusieurs amplitudes de vibrations $\gamma$. Au delà d'un lent mouvement convectif d'ensemble, la dynamique des grains présente principalement une dynamique complexe |intermittente et hétérogène| à une échelle bien plus petite que la taille typique d'un grain. Ces hétérogénéités dynamiques sont d'amplitude maximale à une densité intermédiaire $\phi^*(\gamma)$. Au niveau du réseau de contacts, nous observons deux signatures franches et distinctes|statique et dynamique| analogues à la phénoménologie de la transition vitreuse. %La statique et la dynamique du réseau de contact présentent deux signatures distinctes analogues à la phénoménologie de la transition %vitreuse. Á l'instar du maximum d'hétérogénéités dynamiques des déplacements, la signature dynamique du réseau de contacts a lieu à $\phi^*(\gamma)$, si bien que dynamiques des déplacements et des contacts sont liées. En revanche, c'est à une densité plus élevée $\phi_J(\gamma)$ que l'on identifie la signature statique de la transition de Jamming. Lorsque l'on diminue l'amplitude de vibration vers la limite d'excitation mécanique nulle, $\gamma\rightarrow0$, $\phi^*(\gamma)$ et $\phi_J(\gamma)$ se confondent, et l'échelle de longueur des corrélations dynamiques augmente. Nous comparons ces résultats aux propriétés des sphères molles au voisinage du Jamming.

ce travail de thèse porte sur la modélisation numérique et l'analyse des mécanismes physiques en jeu lors du procédé de bourrage du ballast ferroviaire. Celui-ci consiste à remettre à niveau la voie suite aux tassements différentiels induits par les circulations des trains. Nous avons développé un modèle en éléments discrets par la méthode de dynamique des contacts qui permet de simuler un cycle complet du procédé composé de l'enfoncement des bras mécaniques, le serrage du ballast sous la traverse et le retrait des bras. Ces simulations prennent notamment en compte la forme polyédrique des grains, ce qui constitue un élément important pour une simulation réaliste de la dynamique du ballast. Une étude détaillée de la rhéologie quasi-statique des matériaux granulaires à grains polyédriques a été ainsi effectuée permettant de mettre en évidence l'origine de la résistance mécanique de ces matériaux liée à la forme facettée des grains. La dynamique vibratoire des grains a été explorée en interaction avec un outil vibrant et sous l'effet des vibrations horizontales. Ces études ont permis de proposer une mise à l'échelle de la dynamique en fonction des paramètres de chargement et de mettre en évidence une fréquence caractéristique pour une compaction optimale du milieu granulaire. Ces analyses et des études paramétriques ont permis de proposer des recommandations précises pour améliorer les performances du procédé de bourrage.

Ce travail de thèse traite de la propagation des ondes élastiques dans les milieux granulaires<br />denses sous contrainte. Elles permettent de sonder de manière non invasive la structure, les<br />propriétés viscoélastiques et les comportements non linéaires des réseaux de forces de contact dans<br />un tel milieu. Dans une première partie, nous rappelons quelques résultats concernant la propagation<br />linéaire d'ondes ultrasonores dans les matériaux granulaires (modes effectifs cohérents, diffusion<br />multiple des ondes élastiques). Nous montrons alors comment extraire les modules élastiques à l'aide<br />des ondes cohérentes et la dissipation interne à l'aide des ondes multiplement diffusées. En particulier,<br />l'étude de l'influence de la présence d'un fluide interstitiel en très faible quantité (< 0,1%)<br />et l'influence de l'état de surface des billes, sur les propriétés viscoélastiques de milieux granulaires<br />secs et mouillés, nous permet d'identifier deux mécanismes de dissipation : frictionnelle et visqueuse.<br />Enfin, nous nous intéressons au régime de propagation non linéaire des ondes élastiques dans les<br />milieux granulaires. Après avoir caractérisé expérimentalement l'élasticité non linéaire hertzienne<br />réversible du matériau granulaire par la génération d'harmoniques supérieures, nous discutons un<br />résultat original sur les processus d'interaction irréversibles onde-matière granulaire liés aux non<br />linéarités hystérétiques de type Mindlin entraînant une nette diminution du module élastique du<br />matériau granulaire et des micro-réarrangement à l'échelle des aspérités de grains.

Cette thèse porte sur un système dissipatif modèle, les gaz granulaires. Au moyen de méthodes issues de la théorie cinétique et des processus stochastiques, nous avons cherché à déterminer les propriétés statistiques d'observables globales, mimant ainsi la démarche qui prévaut l'équilibre. Parmi celles-ci, l'énergie qu'il faut fournir au gaz granulaire pour le maintenir dans un état stationnaire joue un rôle central. Elle est d'intérêt expérimental, mais elle est aussi pertinente comme mesure de la distance à l'équilibre, et c'est à ce titre qu'elle est récemment intervenue dans le contexte des relations de fluctuation. Nous avons complètement caractérisé la distribution de cette énergie injectée dans le système. Nous avons montré qu'elle ne pouvait être invoquée dans les relations de fluctuation, mais aussi que la distribution de cette grandeur macroscopique permettait d'obtenir des informations sur la dynamique microscopique. Plusieurs questions se sont développées autour de ce travail, dont la pertinence de la notion d'entropie dans un système dissipatif ou les limitations intrinsèques des relations de fluctuations.

Ce document résume mes travaux de recherche depuis mon recrutement en tant que maître de conférences à l'Institut de Physique de Rennes. Mes activités de recherche durant cette période se divisent en trois thèmes principaux: la propagation des ondes dans les milieux hétérogènes, les propriétés mécaniques des milieux granulaires et la modélisation de systèmes non linéaires. Le document détaille plus particulièrement mes contributions aux deux premiers champs.

Ce travail porte sur la caractérisation, par une méthode acoustique, du comportement mécanique d'un milieu granulaire sous chargement cyclique. La propagation d'ondes ultrasonores, à travers le réseau des contacts supportant les efforts dans l'échantillon, permet de sonder les propriétés viscoélastiques de ces milieux hétérogènes. Dans une première partie, nous étudions le comportement visco-élasto-plastique d'un empilement de billes de verre lors d'un essai oedométrique. Nous examinons en particulier le tassement, ou la déformation résiduelle, et la dissipation hystérétique, en fonction du nombre de cycles, du taux de déformation et de l'état de surface des billes. Nous montrons que les modules déduits des donnés mécaniques (déformation e ~ 10?4-10?³) sont dix fois plus petits que ceux obtenus par les mesures acoustiques (e ~ 10?7) à cause de la réponse non linéaire du milieu. Dans une seconde partie, nous nous intéressons au fluage et à la relaxation de contrainte du milieu. L'originalité de cette étude est le suivi par la mesure de la vitesse du son, qui présente une augmentation de type logarithmique dans les deux types d'essais. Le modèle basé sur la mécanique des microcontacts entre grains rugueux décrit bien nos résultats expérimentaux

Le comportement des matériaux multiphasiques couvre une multitude de phénomènes qui suscitent un grand intérêt dans le domaine scientifique et professionnel. Les propriétés mécaniques de ces types de matériau trouvent leur origine dans les phases dont ils sont composés, leur distribution et interaction. Un nouveau modèle hydrodynamique couplé est présenté dans ce travail de thèse, à appliquer à l'analyse de l'hydrodynamique des milieux granulaires saturés. Le modèle associe la méthode des éléments discrets (DEM) pour la modélisation de la phase solide, avec une formulation en volumes finis, à l'échelle des pores (PFV), du problème de l'écoulement. Une importance particulière est donné à la description de l'interaction entre les phases, avec la détermination des forces fluides à appliquer sur chacune des particule, tout en assurant un coût de calcul abordable, qui permet la modélisation de plusieurs milliers des particules en trois dimensions. Le milieux est considéré saturé par un fluide incompressible. Les pores et leur connectivité est basée sur une triangulation régulière des assemblages. L'analogie de cette formulation avec la théorie classique de Biot est présenté. Le modèle est validé par la comparaison des résultats numériques obtenus pour un problème de consolidation d'un sol granulaire avec la solution analytique de Terzaghi. Une approche pour analyser l'hydrodynamique d'un sédiment granulaire est finalement présenté. La reproduction du phénomène de liquéfaction d'un sol est également présentée.

Ce travail de thèse contribue à l'étude acoustique expérimentale des propriétés élastiques des milieux granulaires et de leurs évolutions lentes avec le temps faisant suite à des sollicitations mécaniques. Grâce à un montage expérimental et des protocoles expérimentaux précisément décrits, une étude des caractéristiques acoustiques linéaires et non linéaires d'une tranche de milieu granulaire est réalisée. Des zones fréquentielles caractéristiques de la fonction de transfert acoustique sont identifiées. Dans une zone basse fréquence, les propriétés élastiques du squelette solide (les billes et leurs contacts) régissent le comportement de la fonction de transfert acoustique. A plus hautes fréquences, seuls les paramètres acoustiques du fluide équivalent jouent un rôle. Il est montré que le couplage des modes de propagation au niveau de la détection du signal se manifeste à la transition entre ces zones caractéristiques. Les effets non linéaires d'auto-action et génération d'harmonique 2 dans cette tranche sont analysés pour différentes compacités. L'étude des effets de mémoire d'un échantillon granulaires est réalisée lors de la modification du protocole de compaction (l'amplitude de la sollicitation mécanique change de valeur). Cette modification entraîne des variations soudaines des paramètres élastiques et dissipatifs, linéaires et non linéaires, qui sont interprétées en termes de forces de contacts et distribution de forces de contacts. Pour la première fois, les effets de mémoire sont analysés via l'élasticité du milieu granulaire et non simplement via sa géométrie. Enfin, la relaxation lente des propriétés élastiques, linéaires et non linéaires, est observée suite à une unique sollicitation mécanique, un "tap". L'augmentation du paramètre élastique linéaire, la diminution de l'atténuation linéaire et les diminutions des paramètres non linéaires sont recueillies avec une résolution en temps de l'ordre de la seconde. Les rôles de la température et de l'hygrométrie de l'air ambiant dans les temps caractéristiques de relaxation qui sont de l'ordre de plusieurs minutes sont analysés.