I. Les éléments essentiels pour construire un château de sable

1. Le sable

Le sable est l'un des deux principaux constituants d'un château de sable, nous allons donc étudier sa définition, sa composition, ses caractéristiques...

Qu'est-ce que le sable ?

Le sable, du latin sabulum, est une roche sédimentaire meuble formée de grains souvent quartzeux. Pour mériter l'appellation de sable, la taille des grains doit être comprise entre 0,002 mm et 4,75 mm. Si les grains sont plus petits, on parle d'argile, s'ils sont plus gros, cela devient du gravier.

Le tableau suivant montre les limites inférieures et supérieures du diamètre des grains pour 4 types de sable : sable grossier, sable moyen, sable fin, sable très fin.

D'où proviennent les grains de sable et quelle est leur composition ?

Le sable provient de la terre, plus précisément de la roche qui constitue les montagnes. En fait, chaque grain a été façonné par les éléments (la pluie, le vent) mais également par les glaciers. En effet, au fil de leur croissance, les langues de glace avancent et rabotent le sol. Les blocs de roches sont arrachés, broyés, pilés. Puis, l'eau de pluie et l'eau issue de la fonte des glaces entrainent ensuite ces fines particules jusqu'au ruisseau le plus proche.

Le gel joue également un rôle important dans la formation du sable. L'eau de pluie s'infiltre dans les fissures de la roche et en gelant, elle prend du volume et la fait éclater. Au passage, la pousse des racines de certains arbres provoquent des effets similaires.

Ces débris vont encore subir d'autres agressions. L'eau toujours, mais également l'air. La roche s'oxyde et éclate, roule dans les torrents, se transforme en graviers puis en grains de sable. Après un long broyage et un long polissage, il ne reste plus qu'un noyau quasi indestructible. Ce dernier va se déposer dans le lit des cours d'eau pour suivre son chemin jusqu'à un estuaire.

Arrivés sur une plage, les grains de sable subissent encore des transformations. En effet, la force des vagues qui déferlent sur les grains ainsi que les marées répétitives provoquent de nouvelles érosions naturelles. Le sable est alors affiné.

Les grains de sable sont aussi constitués minoritairement d'éléments de la mer. En effet, lors de leur transport dans les océans, les roches se sont chargées en débris d'animaux marins ainsi qu'en coquillages.

Comme l'illustre le graphique ci-dessous, le sable est composé à :

• 98 % de quartz

• 0,4 % de Feldspaths

• 0,3 % de Muscovite et Biotite (Mica)

• 0,7 % de Pyroxènes, Magnétites et Olivines

• 0,6 % Autres

Afin d'obtenir une coupe précise et légendée de grains de sable, nous avons besoin de réaliser une expérience au microscope.

Pour cela, nous avons besoin d'un microscope, d'une boîte de Pétri, de grains de sable, d'une webcam, d'un ordinateur et d'une lampe.

Voici le protocole à suivre pour mener à bien la réalisation :

• Placer quelques grains de sable dans une boîte de Pétri.
  
• Brancher le microscope et placer la lampe allumée sous la boîte de Pétri afin que celle-ci bénéficie du maximum d'éclairage.
  
• Poser la boîte sur la platine puis passer aux mises au point.
  
• Changer d'objectif pour grossir l'image perçue dans l'oculaire.
  
• Puis faire les mises au point avec le bouton de réglage d'abord macro métrique puis micro métrique.

Une fois une image nette obtenue, on branche la webcam sur l'ordinateur et on insère celle-ci à la place de l'oculaire. Après avoir fait une photo, on l'enregistre et crée une page Word. On légende la photo et on procède à l'impression.

Quelle est la masse volumique/densité du sable ?

La masse volumique du sable varie s'il est sec ou saturé de liquide. La formule permettant de calculer la masse volumique est : ρ = m/V   ou m en kilogramme (kg), V en mètre cube (m3) et ρ en kilogramme par mètre cube (kg.m-3)

Le sable sec a une masse volumique de 1600 kg/m3. Le sable saturé par un liquide (de type eau) a une masse volumique de 2000 kg/m3. Le sable mélangé avec 2% d'eau a une masse volumique de 1700 kg/m3

Pour mémoire, la masse volumique de l'eau est de 1000 kg/m3

La densité, notée d, s'exprime de la sorte : d = ρ(corps) / ρ(réf) où ρ(corps) est la masse volumique du corps considéré, et ρ(réf) est la masse volumique du corps de référence.

Nous parlons ici de la densité par rapport à l'eau, donc ρ(réf) = ρ(eau)

S'agissant d'un rapport entre deux mesures de même unité, la densité s'exprime par un ratio et donc n'a pas d'unité.

• Densité du sable sec = 1600/1000 = 1,6
• Densité de sable saturé en eau = 2000/1000 = 2,0
• Densité du sable mélangé avec 2% d'eau = 1700/1000 = 1,7
  

Quel type de sable allons nous utiliser ?

Maintenant que nous avons étudié le sable, nous allons déterminer le type de sable qui doit être utilisé pour réaliser notre château de sable. A ce titre, nous allons réaliser une expérience nécessitant deux assiettes, un entonnoir, une équerre, deux verres contenant la même quantité de deux sables différents (un sable à grains fins et un autre à grains moyens).

Protocole à suivre :

• Disposer les assiettes sur une table.
• Verser le sable à grains fins à l'aide de l'entonnoir dans l'assiette.
• Réaliser la même opération avec le sable à grains moyens.
• Prendre l'équerre et mesurer la hauteur des tas de sable créés.
• Choisir le sable où le tas est le plus haut donc le plus cohérent.
  

Après la réalisation de l'expérience, nous avons observé que le tas de sable à grains moyens avait une hauteur de 2,5cm. Quant au sable à grains fins, son tas avait une hauteur de 4cm. On peut donc conclure que le sable optimal à la bonne réalisation d'un château est le sable à grains fins.

Grâce à cette expérience nous savons à présent qu'il faut un sable de type fin afin de réaliser le château de sable.

2. Quantités (solide, liquide)

Maintenant, nous allons nous intéresser aux quantités de matière à utiliser afin de réaliser le château de sable.

Pour réaliser un beau château de sable, le deuxième élément indispensable est le liquide qui se lie avec les grains de sable. Pour cela, nous cherchons à connaître quelle quantité de liquide il faut pour que le château soit le plus solide possible. Selon Daniel Bonn, chercheur Britannique, il faut 2% (en volume) de liquide pour que le château soit le plus solide.

Pour valider ou réfuter son hypothèse, nous avons réalisé une expérience.
Celle-ci consiste à tester plusieurs quantités de liquide dans la même quantité de sable.
Pour cela, nous avons besoin de quatre récipients contenant 100 mL de sable chacun, une cuillère, quatre assiettes, une équerre et quatre récipients contenant des quantités de liquide différentes : 0 mL d'eau, 2 mL d'eau, 10 mL d'eau et 20 mL d'eau.

 Après avoir ajouté les différentes quantités d'eau au sable, nous les avons remués à l'aide d'une cuillère jusqu'à obtenir des melanges homogènes.

Nous avons alors versé les quatre mélanges sur quatre assiettes.

Des cônes se sont alors formés.
A l'aide d'une équerre, nous avons mesuré la hauteur de chacun d'eux.
Le mélange à 2% d'eau est celui donnant la hauteur maximale de cône.

Selon Daniel Bonn, plus la hauteur du cône est élevée, meilleure est la cohésion entre les grains de sable et plus le château sera solide.

Nous pouvons alors confirmer que le mélange à 2% est celui, parmi les 4 testés, qui permettra la réalisation la plus solide de château de sable.

La photo ci-dessous représente les quatre récipients de sable mélangés aux quatre quantités d'eau différentes. De gauche à droite, dans le premier récipient se trouve une quantité de 2% d'eau, dans le second 10% d'eau, dans le troisième 20% et dans le dernier 0% d'eau.

Photo d'une petite quantité de sable ne contenant pas d'eau.

On observe que le tas crée ne tient pas.

Photo d'une petite quantité de sable mélangée à 2% d'eau.

On peut observer que la cohésion des grains de sable est parfaite grâce à cette quantité d'eau. La quantité optimale de 2% d'eau est encore ici démontrée.

Photo d'une petite quantité de sable mélangée à 10% d'eau.

On remarque que la quantité d'eau est trop importante. De ce fait, le mélange sable-eau est trop réparti sur l'assiette et ne se tient pas en tas.

Photo d'une petite quantité de sable mélangée à 20% d'eau.

On observe très clairement que plus le sable est mélangé à de l'eau, plus le mélange s'affaisse sur la surface de l'assiette.

Le graphique ci-dessous met en relation la hauteur du tas de sable en fonction de sa quantité d'eau. On remarque que le tas de sable mélangé à 2% est le plus haut. On peut donc en conclure que 2% d'eau est parmi les échantillons retenus, la quantité nécessaire pour réaliser un beau château de sable (le plus solide). La cohésion des grains de sable sera optimale et améliorera sa solidité et sa stabilité.