Tomber dans des sables mouvants, est-ce qu'on s'enfonce vraiment jusqu'à la tête ?
― Le corps flotte et s'arrête vers la taille. Le danger n'est pas de couler
Dans les films, la victime s'enfonce peu à peu, jusqu'à ce qu'il ne reste plus qu'une main visible avant de disparaître. Mais du point de vue de la physique, cela n'arrive quasiment jamais. Un mélange de sable et d'eau pèse environ deux fois plus lourd que le corps humain. Le corps flotte et s'arrête vers la taille. Pourtant, des accidents surviennent bel et bien dans la vase des estrans ou des estuaires, où des personnes se retrouvent bloquées. Le vrai danger n'est pas de couler, mais de ne plus pouvoir se dégager.
Vous marchez sur un estran à marée basse, et soudain un pied s'enfonce. Vous essayez de le retirer : il ne bouge pas d'un millimètre. Comme si quelqu'un vous tenait la cheville.
Pris de panique, vous prenez appui sur l'autre pied : il s'enfonce à son tour. Pourtant, tout autour, le sable a exactement la même allure que celui sur lequel vous marchiez sans problème l'instant d'avant.
Pourquoi le sable se transforme-t-il soudain en un « sol impraticable » ? Et jusqu'où va-t-on s'enfoncer ?
Voici ce que l'on sait, en deux points
Un objet qui flotte s'arrête à la surface d'un liquide plus lourd que lui. Or un mélange de sable et d'eau pèse environ deux fois plus lourd que l'eau seule. C'est pourquoi le corps humain flotte et s'arrête quand environ la moitié de son volume est immergée.
Un sable d'où suinte de l'eau par en dessous n'est fait que de grains empilés sans grande cohésion. En marchant dessus, cet arrangement s'effondre et se comporte comme un liquide ; puis les grains se déposent et se tassent, emprisonnant le pied.
En combinant ces deux faits, on comprend précisément où la scène de film se trompe. Voyons cela dans l'ordre.
Pourquoi s'arrête-t-on vers la taille ?
Dans un bain, on a l'impression que le corps devient plus léger. C'est parce qu'une force nous repousse vers le haut, égale au poids de l'eau déplacée. Cette force s'appelle la poussée d'Archimède.
Le poids du corps humain est à peu près égal à celui de l'eau. Si les poumons sont remplis d'air, il devient même un peu plus léger que l'eau. C'est pourquoi, dans une piscine, on flotte tout juste en se relâchant.
En revanche, un mélange de sable et d'eau est bien plus lourd. Les grains de sable eux-mêmes pèsent environ 2,6 fois plus que l'eau, et de l'eau s'infiltre dans les interstices entre eux. Au total, ce mélange pèse environ deux fois plus que l'eau.
Autrement dit, une personne entre dans un liquide deux fois plus lourd qu'elle-même. Il suffit donc de déplacer la moitié de son volume pour atteindre l'équilibre. Debout, les jambes et le bassin représentent à peu près la moitié du volume corporel. On s'arrête donc grosso modo entre la taille et le bas de la poitrine (voir figure 1, à droite).
Alors pourquoi ne peut-on pas se dégager ?
C'est là que le danger commence. Les vrais sables mouvants se forment dans un sable où de l'eau suinte par en dessous : un empilement de grains léger, plein d'interstices.
En marchant dessus, cet arrangement s'effondre en un instant. Privé de son soutien, le sable se comporte comme un liquide et le pied s'enfonce profondément. Mais ensuite, les grains se déposent et se tassent fermement. L'eau est repoussée vers le haut, et il ne reste autour du pied qu'un sable compacté.
Ce sable tassé ne bouge plus facilement. Pire : si l'on tire le pied vers le haut, un vide se forme sous la plante du pied. Le sable ne peut pas s'y engouffrer assez vite, ce qui fait chuter la pression dans cet espace. L'atmosphère, elle, appuie alors sur le corps par le dessus. Plus on tire brusquement, plus cette force de succion est forte. Selon un calcul, elle peut atteindre près de 2000 newtons sur la surface d'une plante de pied, soit l'équivalent d'environ 200 kilogrammes.
L'impression d'un fond absent vient simplement du fait que l'eau trouble empêche de voir le fond. En réalité, il y a bien une couche de sable ou de vase, et la profondeur est limitée. Ce phénomène ne se produit pas seulement dans les marais : on le retrouve aussi sur les estrans, dans les estuaires, sur les plages sablonneuses où l'eau souterraine affleure, et dans les zones boueuses volcaniques.
Un mélange de fécule de maïs et d'eau durcit quand on le presse vite, et s'enfonce quand on le presse lentement. Les sables mouvants font l'inverse : ils se relâchent quand on les agite. Malgré le point commun « poudre + eau », la taille des grains et la quantité d'interstices inversent complètement le comportement.
Alors, que faire ?
- Ne cherchez pas à retirer le pied précipitammentPlus on tire vite, plus la succion est forte. Arrêtez tout mouvement d'abord et reprenez votre souffle.
- Penchez le corps vers l'arrière, en posant le dos ou les mains sur une large surfacePlus la surface de contact est grande, moins on s'enfonce. Cela répartit la force qui se concentrait sur le pied.
- Balancez la cheville de gauche à droite pour laisser l'eau s'infiltrer, et dégagez-vous petit à petitL'eau qui contourne relâche le sable. Faites de petits mouvements, en prenant votre temps.
Même sans s'enfoncer jusqu'à la tête, rester bloqué pendant que la marée monte fait augmenter le niveau de l'eau, avec un risque de noyade. Sur un estran, renseignez-vous d'abord sur les horaires de marée avant de vous y aventurer. Si vous voyez une personne bloquée, n'allez pas la secourir vous-même : appelez le 18 (pompiers) ou le 112. La règle de base : ne vous approchez pas de la vase, et ne plongez pas à la surface. Si vous pouvez l'atteindre, lancez un objet flottant (glacière, bouteille en plastique, planche) et attendez les secours. Ne partez jamais du principe qu'on peut se dégager seul.
En résumé
Un mélange de sable et d'eau pèse environ deux fois plus lourd que le corps humain. C'est pourquoi le corps flotte et s'arrête vers la taille : s'enfoncer jusqu'à la tête n'arrive quasiment jamais. En revanche, le sable tassé et la force de succion empêchent de libérer le pied. Ce qui fait la différence entre s'en sortir ou non, ce n'est pas la profondeur d'enfoncement, mais la capacité à rester calme et à prendre son temps.
On ne coule pas, mais on ne se dégage pas non plus.
Alors, plutôt que de se précipiter, il faut laisser l'eau contourner.
Ce phénomène où le sol change brutalement selon la relation entre grains et eau se produit aussi lors de fortes secousses sismiques. Lisez aussi Pourquoi le sol se comporte-t-il comme de « l'eau » lors de la liquéfaction ? et Pourquoi le sable sec s'effondre-t-il alors que mouillé il devient ferme ? pour mieux comprendre ce qui fait que le sable « se fige » ou « se relâche ».
- Prenez deux verres identiques : remplissez l'un d'eau seule, et l'autre de sable jusqu'aux 4/5, puis versez de l'eau dessus. En les soupesant, vous sentirez nettement que le verre de sable est plus lourd.
- Enfoncez lentement un doigt dans le verre de sable, puis retirez-le lentement. Refaites l'essai en le retirant rapidement, à la même profondeur. Le retrait rapide doit sembler plus lourd.
- Faites de même avec un mélange de fécule de maïs et d'eau, en variant la vitesse. Contrairement aux sables mouvants, ce mélange durcit d'autant plus qu'on le bouge vite.
N'essayez pas dans une vraie zone boueuse en extérieur. Un simple verre dans la cuisine suffit amplement pour vérifier ce phénomène.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, et lien avec les manuels scolairesDu collège aux matières universitaires spécialisées, chaque niveau est précisé
- CollègeCe qui est enseigné en sciences au collège
- LycéeCe qui est enseigné en physique de base au lycée
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou encart de manuel
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (mécanique des sols, rhéologie)
- RechercheSujet encore à l'étude par les chercheurs, non enseigné comme « établi » même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Poussée d'Archimède : force qui repousse vers le haut un objet plongé dans un liquide ou un gaz, égale au poids du volume déplacé. C'est cette force qui détermine la profondeur d'enfoncement.
- Pression interstitielle : pression de l'eau présente entre les grains de sable. Plus elle est élevée, plus la pression que les grains exercent les uns sur les autres s'affaiblit.
- Dilatance : propriété d'un mélange de grains et d'eau à changer de fermeté selon la vitesse à laquelle on le manipule. La fécule de maïs dans l'eau en est l'exemple typique.
CollègeLycéeVérification par la formule : jusqu'où le corps s'enfonce-t-il ?
Le sujet central est « jusqu'où s'enfonce-t-on ? ». Calculons donc la profondeur d'enfoncement elle-même à partir de la formule de la poussée d'Archimède.
| En notation symbolique | V immergé ÷ V ＝ ρ corps ÷ ρ sable |
| En mots | Volume immergé ÷ volume total du corps ＝ densité du corps ÷ densité du sable mouvant |
| D'où vient cette formule | Équilibre entre la poussée d'Archimède (poids du sable mouvant déplacé) et le poids du corps. C'est le principe d'Archimède lui-même. |
| V immergé | Volume de la partie plongée dans le liquide (mètres cubes) |
| V | Volume total du corps (mètres cubes) |
| ρ corps | Densité du corps (kilogrammes par mètre cube) |
| ρ sable | Densité du mélange sable-eau (même unité) |
| Densité des grains de sable eux-mêmes | environ 2650 kilogrammes par mètre cube |
| Densité de l'eau | 1000 kilogrammes par mètre cube |
| Proportion d'interstices dans un sable non tassé | environ 0,4 (les 0,6 restants sont des grains) |
| Densité du corps humain | environ 1000 kilogrammes par mètre cube (un peu moins avec de l'air dans les poumons) |
| Taille | 170 centimètres |
| Poids dû aux grains de sable | 2650 × 0,6 ＝ 1590 |
| Poids de l'eau dans les interstices | 1000 × 0,4 ＝ 400 |
| Poids d'un mètre cube de sable mouvant | 1590 ＋ 400 ＝ 1990 |
| Proportion du volume immergé | 1000 ÷ 1990 ≒ 0,50 |
| Profondeur estimée d'après la taille | 170 × 0,50 ＝ 85 |
Soit 85 centimètres depuis les pieds, c'est-à-dire à peu près la taille. Les jambes étant plus fines que le tronc, le niveau réel peut être un peu plus haut. Dans tous les cas, on n'obtient jamais un enfoncement jusqu'à la tête.
| Pression atmosphérique | environ 101000 pascals (valeur donnée) |
| Surface d'une plante de pied | environ 0,02 mètre carré |
| Limite supérieure de la force de succion | 101000 × 0,02 ＝ 2020 |
| Converti en poids | 2020 ÷ 9,8 ≒ 206 |
L'unité est le newton, soit l'équivalent d'environ 206 kilogrammes. C'est une estimation maximale, mais elle montre que cette force dépasse ce qu'on peut vaincre en tirant sur un seul pied. C'est pourquoi « tirer vite » est désavantageux. L'essentiel est de ne pas se précipiter, et de laisser l'eau contourner pour annuler la différence de pression.
LycéeLycée+Ce qui soutient le sable : la pression entre les grains
LycéeSi un tas de sable tient debout sans s'effondrer, c'est parce que les grains se pressent les uns contre les autres, créant du frottement. Si la pression de l'eau dans les interstices augmente, cette pression mutuelle s'affaiblit, et le frottement diminue.
Lycée+Cette « force que les grains exercent réellement les uns sur les autres » s'appelle la contrainte effective. Selon le principe de la contrainte effective de Terzaghi, la contrainte effective est égale à la contrainte totale moins la pression interstitielle. Dans un sable où de l'eau jaillit par en dessous, la pression interstitielle est élevée, et la contrainte effective tend vers zéro. C'est cela, la véritable nature des sables mouvants, expliquée par le même principe que la liquéfaction sous forte secousse sismique.
UniversitéTraiter le phénomène comme une matière dont la fermeté change avec le temps
Les sables mouvants changent de fermeté selon la vitesse à laquelle on leur applique une force. Ce type de comportement relève de la rhéologie, et se modélise avec des concepts comme le fluide de Bingham et sa contrainte de seuil. Les sables mouvants se relâchent brutalement sous une faible force (liquéfaction par cisaillement), puis leur résistance augmente rapidement une fois que les grains se déposent et se tassent. Une mesure de 2005 a rapporté que la force nécessaire pour extraire un pied peut atteindre l'équivalent du soulèvement d'une voiture. C'est un phénomène inverse de la dilatance, qui durcit sous une déformation rapide.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Principe d'Archimède (Wikipédia, en japonais) ／ Dilatance (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui reste encore incertain
- Où se situe le seuil d'effondrement ? Avec quelle force un empilement lâche s'effondre-t-il d'un coup ? Cela varie selon la forme et la répartition de taille des grains, et la prévision reste difficile au cas par cas sur le terrain.
- Quel effet a la présence d'argile ? La vase des estrans contient de fines particules d'argile qui font adhérer les grains entre eux. La mesure de l'augmentation de la difficulté à se dégager que provoque cette adhérence varie selon les méthodes utilisées.
- Peut-on repérer à l'avance les zones dangereuses ? L'aspect visuel étant identique à l'environnement, on cherche des méthodes pour détecter depuis la surface de faibles remontées d'eau souterraine.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète « l'état actuel des connaissances ». Les chiffres donnés sont des ordres de grandeur pour un sable typique, et varient selon la nature du sable ou de la vase du terrain concerné.
Lien avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・force et pression／densité | Pourquoi on s'arrête à la taille, explication de la poussée d'Archimède |
| Lycée | Physique de base・équilibre des forces et poussée d'Archimède | Points ⓪ et ② de « Vérification par la formule » |
| Lycée+ | Physique・pression／sciences de la Terre de base・sols | Section sur la contrainte effective et la pression interstitielle |
| Université | Mécanique des sols・rhéologie | Fluide de Bingham, liquéfaction par cisaillement |
| Recherche | Physique des matériaux granulaires・géomorphologie côtière | Seuil d'effondrement, influence de l'argile |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Comportement à adopter sur un estran ou un estuaire, vérification des marées |
- A. Khaldoun et al., « Liquefaction of quicksand under stress », Nature, vol. 437, p. 635 (2005)
- Principe d'Archimède (Wikipédia, version japonaise)
- Ishihara Kenji, 土質力学 (Mécanique des sols), Maruzen Publishing (石原研而『土質力学』丸善出版) ― chapitre sur la contrainte effective, la pression interstitielle et la liquéfaction des sables
- Garde côtière japonaise (海上保安庁), « Rapport de la garde côtière » (海上保安レポート) ― cas d'accidents sur estrans et hauts-fonds, et recommandations
※Cet article est une vulgarisation scientifique à visée générale. Les chiffres présentés sont des ordres de grandeur destinés à comprendre le mécanisme, et ne garantissent en rien la sécurité d'un lieu ou d'une situation particulière. Si vous vous rendez dans une zone boueuse ou sur un estran, ou en cas d'accident, suivez les consignes des pompiers, de la garde côtière ou des autorités locales.