Lorsqu’une route de sable, de terre ou de gravier est soumise aux passages répétés de véhicules, un motif régulier de rides peut apparaître – il est connu sous le nom de « route de tôle ondulée » ou « washboard road ». Si la vitesse est suffisante, la moindre irrégularité dans la route dégénère, et l’ensemble de la route ressemble rapidement à un champ de bosses.
Ces rides gênent la conduite et usent prématurément les véhicules, mais elles sont surtout dangereuses. En effet, les véhicules circulant à des vitesses de quelques dizaines de kilomètres par heure volent littéralement de ride en ride, ce qui diminue leur adhérence et affecte le contrôle des trajectoires et les longueurs de freinage.
Le phénomène de « washboard road » est très répandu dans de nombreux pays en voie de développement, mais également aux États-Unis et en Australie, où des routes non goudronnées (pour des raisons de coût d’installation et de maintenance) traversent les étendues désertiques sur plusieurs milliers de kilomètres.
Si l’on peut bétonner ou goudronner les routes, on peut aussi les raboter à l’aide d’un bulldozer, mais ceci s’avère aussi coûteux qu’inefficace, le motif réapparaissant très rapidement après le passage de l’engin. Incorporer à la route des additifs, tels que des résines végétales ou des hydrocarbures lourds, pourrait rendre le matériau plus résistant aux déformations, mais poserait de sérieux problèmes environnementaux et est difficilement envisageable à grande échelle : comment incorporer de tels volumes d’additifs sur des milliers de kilomètres ?
Comment se forment ces motifs qui rappellent les dunes ?
L’amplitude et la longueur d’onde du motif dépendent des masses et vitesses des véhicules qui y roulent mais aussi de la pression des pneumatiques ou encore des conditions climatiques. Les observations de terrain rapportent que le motif est plus marqué dans les virages, ainsi que sur les fortes pentes et autour des carrefours, car les contraintes mécaniques exercées sur la route par les véhicules sont plus importantes dans ces trois situations.
Mais au-delà des implications pratiques, le phénomène constitue un problème fascinant pour les physiciens : la « morphogenèse », l’étude de la formation de motifs répétés, et plus généralement des instabilités.
Ici, les similitudes sont grandes avec la formation des dunes (qui sont des motifs d’une hauteur de quelques centaines de mètres) ou des rides sur une surface de sable soumis à un vent constant. Ces phénomènes ont fait l’objet de nombreuses études, par exemple via l’analyse de modèles expérimentaux dans lesquels un lit de sable sec est soumis à un vent constant grâce à une soufflerie.
Dans nos travaux, nous avons choisi de simplifier au maximum le système et d’étudier une situation contenant les ingrédients physiques fondamentaux nécessaires à l’apparition de l’instabilité « washboard road ».
Un phénomène très robuste
Certes, sur le terrain, les différents véhicules possèdent des masses et vitesses variables, et soient équipés de plusieurs roues munies d’une suspension et de pneus déformables sur lesquels s’applique parfois un couple moteur. Au contraire, dans nos études en laboratoire, nous avons travaillé avec une roue en gomme rigide, placée à l’extrémité d’un bras articulé, et tirée à vitesse constante sur un lit de sable : notre montage ne comporte ainsi aucune suspension et l’unique roue n’avance pas sous l’effet d’un couple moteur. La roue est contrainte dans son mouvement horizontal le long de la piste circulaire, mais est libre de monter et descendre ainsi que de rouler.
Mais malgré ces simplifications à l’extrême, ce système permet de reproduire fidèlement le phénomène de « washboard road » : après plusieurs passages, la route initialement plane se transforme en profil ondulé et régulier. En poussant cette démarche à l’extrême, il est même possible de former une « washboard road » en tirant un simple patin incliné (à l’image d’un chasse-neige) avec le bras articulé.
La robustesse du phénomène de formation de rides est un des résultats importants de l’étude : ce phénomène existe sous une large gamme de conditions, et une modification des paramètres des véhicules ne suffirait probablement pas à éradiquer le motif ondulé.
Ce résultat est malheureusement fort contrariant pour toute tentative de mitigation des rides : il semble que l’ajout d’une suspension ou d’un pneu déformable pourrait modifier les dimensions du motif de rides, mais ces caractéristiques ne sont pas des ingrédients indispensables à l’apparition du motif de rides.
Une vitesse « seuil » au-delà de laquelle les rides se forment
Par contre, notre système nous a également permis de mettre en évidence l’existence d’une vitesse « critique » (ou seuil) pour le phénomène : en dessous de cette vitesse, toute perturbation dans la piste comme un creux ou une bosse est lentement érodée et le profil redevient plan après quelques passages. À l’inverse, au-delà de cette vitesse, la moindre irrégularité dans la route dégénère rapidement et provoque l’apparition de rides.
Nous avons compris comment cette vitesse critique dépend des paramètres du système (masse du véhicule et masse volumique du sable), ce qui nous a permis d’estimer la vitesse critique d’environ 10 km/h pour des voitures légères et de 20 km/h pour les véhicules les plus lourds. Ainsi, si les véhicules circulaient à faible vitesse, les routes resteraient planes, mais cette valeur est tellement faible qu’elle parait difficilement réaliste comme limitation de vitesse… surtout pour traverser l’Australie !