Pourquoi les pierres de rivière éclatent-elles parfois dans un foyer de camp ?
― L'eau contenue dans la pierre se change en vapeur et la fait éclater de l'intérieur
Quand on fait un feu de camp au bord d'une rivière, on a envie de rassembler des pierres pour construire un foyer. Mais chauffer des pierres prises près de l'eau peut parfois provoquer un « pan ! » sonore, avec des éclats projetés. La pierre ne brûle pourtant pas : alors pourquoi éclate-t-elle ? Les coupables sont l'eau invisible infiltrée dans la pierre et la différence de température entre l'extérieur et l'intérieur.
Un camping d'automne. Vous ramassez quelques pierres rondes au bord de la rivière, les disposez en cercle, et allumez du bois au centre. Cela sert même de support pour poser une gamelle : plutôt réussi.
Au bout d'un moment, de petits bruits secs — « tic », « pshhh » — se font entendre du côté des pierres proches du feu. On aperçoit parfois une légère buée à leur surface.
Et soudain : « PAN ! ». Une des pierres éclate, projetant un éclat gros comme un pouce jusqu'à vos pieds. Que s'est-il passé dans cette pierre qui ne devrait pourtant pas brûler ?
Deux grandes raisons expliquent l'éclatement des pierres
Les pierres contiennent des fissures et des interstices trop fins pour être visibles à l'œil nu. Les pierres de bord de rivière y retiennent beaucoup d'eau. Chauffée par le feu, cette eau se transforme en vapeur et cherche à occuper un volume plus de mille fois supérieur.
La pierre conduit mal la chaleur. La face exposée au feu chauffe et se dilate en premier, tandis que l'intérieur reste froid encore un moment. La partie qui veut se dilater tire sur celle qui ne bouge pas, créant une force de déchirement à l'intérieur de la pierre.
Dans les deux cas, la pierre se casse « de l'intérieur ». Or la pierre a une propriété particulière : elle résiste bien à la compression, mais très mal à la traction (l'étirement). Les deux forces attaquent en même temps ce point faible.
Raison 1 : l'eau prisonnière de la pierre devient une vapeur sans issue
Les pierres de rivière ont passé des années immergées ou exposées à la pluie. Les pierres formées de grains agglomérés, comme le grès, ont beaucoup d'interstices et absorbent l'eau comme une éponge. Même les pierres qui semblent dures, comme le granite, présentent de fines fissures entre les grains.
L'eau bout à 100 °C et se transforme en vapeur. À ce moment-là, le volume occupé par une même quantité d'eau se multiplie par environ 1700. Imaginez qu'un verre d'eau devienne 1700 verres de vapeur. Dans une casserole, la vapeur peut s'échapper vers le haut. Mais l'eau au cœur de la pierre reste enfermée dans de fines fissures.
Cette vapeur, sans issue, pousse la pierre de l'intérieur. Plus la température monte, plus cette pression augmente. À 200 °C, elle atteindrait environ 15 fois la pression atmosphérique. La partie gauche de la figure 1 illustre ce phénomène. Si la fissure est bouchée à sa sortie, c'est finalement la pierre qui cède et se brise. Les petits bruits « tic » et « pshhh » seraient le son de la vapeur s'échappant par les fines fissures.
Raison 2 : la pierre casse net dès qu'on l'étire
La plupart des matériaux se dilatent légèrement en chauffant. La pierre ne fait pas exception. Mais elle conduit très lentement la chaleur : même quand la surface exposée au feu chauffe, l'intérieur, quelques centimètres plus loin, reste froid un moment.
La surface chaude cherche à se dilater. Le centre froid la retient. La surface se retrouve comprimée, tandis qu'une force de traction s'exerce juste en dessous. Comme sur la partie droite de la figure 1, une fissure apparaît parallèlement à la surface, et la couche superficielle peut se détacher comme une plaque et être projetée.
La pierre résiste très bien à la compression : c'est pour cela qu'on l'utilise pour les fondations de bâtiments ou les murs de soutènement. En revanche, sa résistance à la traction ne représenterait qu'environ un dixième de sa résistance à la compression. Une différence de température d'à peine 100 °C suffit donc à générer une force capable de la briser. C'est le même phénomène qui fait éclater un verre chaud quand on y verse de l'eau froide.
Et les raisons 1 et 2 agissent en même temps. Plus une pierre contient d'eau, plus elle porte de fines fissures. Ces fissures deviennent le « point d'entrée » où se concentre la force de traction. C'est pourquoi les pierres de bord de rivière sont particulièrement dangereuses.
Les pierres posées sur le poêle du sauna, sur lesquelles on verse de l'eau, seraient choisies parmi des variétés résistant bien aux chauffages et refroidissements brusques : des roches volcaniques à grain fin, peu poreuses. Elles finissent malgré tout par se fissurer à l'usage, d'où la nécessité de les remplacer régulièrement.
Alors, que faire ?
- Ne placez pas près du feu des pierres prises dans l'eau ou au bord de l'eauPlus une pierre était mouillée ou enfouie dans du sable humide, plus elle contient d'eau.
- Ne mettez pas de pierres dans le feu et n'en faites pas un foyer improviséLe plus sûr est d'utiliser un foyer portable ou un emplacement aménagé.
- Si vous entendez « tic » ou « pshhh », éloignez-vous des pierresNe penchez pas votre visage au-dessus. Les éclats sont brûlants et projetés violemment.
Quand une pierre éclate, des fragments brûlants peuvent être projetés jusqu'à la hauteur du visage. Autour du feu, évitez de vous accroupir en approchant votre visage. En cas d'éclat dans l'œil ou de brûlure profonde, ne frottez pas : rafraîchissez sous l'eau courante et contactez immédiatement les secours ou un établissement médical. Si le feu risque de se propager, ne cherchez pas à l'éteindre à tout prix : privilégiez votre évacuation. Par ailleurs, de nombreux sites interdisent purement et simplement les feux de camp au bord des rivières : vérifiez d'abord la réglementation locale.
En résumé
Une pierre de rivière éclate au feu parce que deux phénomènes se conjuguent : l'eau infiltrée dans ses fissures devient une vapeur sans issue qui pousse de l'intérieur, et seule sa surface chauffe et se dilate, créant une force de déchirement à l'intérieur. La pierre résiste bien à la compression mais très mal à la traction. Même si elle paraît sèche en surface, une pierre de bord de rivière retient de l'eau à l'intérieur.
Une pierre qui ne brûle pas peut quand même éclater au feu.
Le danger vient de l'eau cachée à l'intérieur et de l'écart de température.
Comment la chaleur d'un feu de camp atteint le corps est expliqué dans Pourquoi le visage chauffe-t-il devant un feu de camp alors que le dos reste froid ?. Pour savoir pourquoi les pierres de rivière sont rondes, rendez-vous sur cet article.
- Ramassez 2 ou 3 pierres de types différents au bord d'une rivière ou dans un jardin, laissez-les bien sécher, puis pesez-les (une balance de cuisine suffit).
- Plongez les pierres dans l'eau pendant une journée entière. Une fois sorties, essuyez uniquement l'eau de surface et pesez-les à nouveau.
- La différence de poids correspond à l'eau entrée dans les interstices de la pierre. Plus une pierre est rugueuse, plus elle en absorbe généralement.
Un gramme d'eau absorbé équivaut à environ 1,7 litre de vapeur une fois transformé. Ne mettez surtout pas ces pierres au feu pendant cette expérience.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesDu niveau collège jusqu'aux matières spécialisées universitaires, le niveau de chaque partie est indiqué
- Collègeniveau enseigné en sciences au collège
- Lycéeniveau enseigné en « physique » ou « sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+niveau approfondi du lycée, ou encadré des manuels
- Universiténon enseigné au lycée, matière spécialisée universitaire (résistance des matériaux, mécanique des roches)
- Recherchesujet encore à l'étude, non enseigné comme « établi » même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène porte un nom
- Changement d'état : le passage d'une substance entre les états solide, liquide et gazeux, comme l'eau qui devient vapeur. Le volume peut alors changer considérablement.
- Dilatation thermique : le fait qu'un objet se dilate légèrement quand sa température augmente. Le taux de dilatation s'appelle le « coefficient de dilatation linéaire ».
- Contrainte thermique : la force créée à l'intérieur d'un objet par une différence de dilatation due à un écart de température selon les endroits. Le phénomène de rupture provoqué par un changement de température brutal s'appelle un « choc thermique ».
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle force naît dans la pierre pour un écart de 100 °C ?
Estimons la force (contrainte thermique) créée dans la pierre lorsqu'on empêche complètement la surface de se dilater. Prenons pour exemple une pierre dure comme le granite.
| En notation symbolique | σ ＝ E × α × ΔT |
| En mots | contrainte thermique ＝ dureté de la pierre (module de Young) × taux de dilatation par degré (coefficient de dilatation linéaire) × écart de température |
| D'où vient cette formule ? | on convertit le taux d'allongement souhaité par l'écart de température (α × ΔT) en force, via la loi de Hooke (force ＝ dureté × taux de déformation) |
| Symbole | Signification et unité |
| σ | contrainte thermique. Force par mètre carré (unité : pascal, ici mégapascal ＝ 1 million de pascals) |
| E | module de Young. Dureté du matériau (unité : mégapascal) |
| α | coefficient de dilatation linéaire. Allongement relatif pour 1 °C de plus (unité : 1/°C) |
| ΔT | écart de température entre la surface et l'intérieur (unité : °C) |
| Module de Young du granite (approximatif) | estimé à 50 000 mégapascals |
| Coefficient de dilatation linéaire du granite (approximatif) | estimé à 0,000008 /°C |
| Écart de température entre la surface et quelques centimètres de profondeur (exemple) | 100 °C |
| Résistance à la traction de la pierre (approximative) | environ 10 mégapascals |
| Force générée pour 1 °C d'écart | 50 000 × 0,000008 ＝ 0,4 mégapascal |
| Force générée pour 100 °C d'écart (contrainte thermique) | 0,4 × 100 ＝ 40 mégapascals |
| Rapport à la résistance à la traction | 40 ÷ 10 ＝ 4 fois |
| Écart de température approximatif où la pierre commence à céder | 10 ÷ 0,4 ＝ 25 °C |
Il s'agit d'une estimation maximale, dans le cas d'un blocage total. Mais la force générée par un écart de 100 °C dépasse plusieurs fois la résistance à la traction de la pierre. En réalité, la forme et les fissures existantes permettent à la force de se dissiper, donc une pierre ne se casse pas forcément dès 25 °C d'écart. Il n'empêche : exposée aux centaines de degrés d'un feu de camp, les conditions pour qu'elle éclate sont largement réunies.
| Volume d'1 gramme d'eau | 1 centimètre cube |
| Volume d'1 gramme de vapeur d'eau à 100 °C, 1 atmosphère | environ 1700 centimètres cubes |
| Facteur de gonflement | 1700 ÷ 1 ＝ 1700 fois |
LycéeLycée+La pression d'une vapeur d'eau prisonnière
LycéeCe facteur de 1700 découle de l'équation d'état des gaz parfaits (pression × volume ＝ quantité de matière × constante des gaz × température), appliquée à 1 gramme d'eau (environ 1/18 de mole) à 100 °C. Enfermée dans une fissure où le volume ne peut pas changer, c'est la pression qui augmente à la place.
Lycée+Dans un espace clos où coexistent eau et vapeur, la pression est fixée par la « pression de vapeur saturante » à cette température. Cette pression de vapeur saturante augmente rapidement avec la température, une relation décrite par l'équation de Clausius-Clapeyron. Elle atteindrait environ 5 fois la pression atmosphérique à 150 °C, et environ 15 fois à 200 °C.
UniversitéPourquoi la roche résiste-t-elle mal à la traction ?
En résistance des matériaux, la force due à un écart de température s'appelle « contrainte thermique », et la rupture provoquée par un changement brutal de température, « rupture par choc thermique ». Si la résistance à la traction des roches est bien plus faible que leur résistance à la compression, c'est parce que la force se concentre à la pointe d'innombrables microfissures internes — un phénomène expliqué par la théorie de la rupture de Griffith. En mécanique des roches, l'effet de la pression de l'eau des fissures qui écarte la roche est traité comme une « pression interstitielle », intégrée dans le cadre de la contrainte effective. Comme indicateur de résistance au choc thermique, on utilise souvent la résistance à la traction divisée par « module de Young × coefficient de dilatation linéaire ». La dernière ligne du calcul ② (10 ÷ 0,4) correspond justement à cet indicateur.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Dilatation thermique et contrainte thermique (Wikipédia, en japonais) ／ Pression de vapeur (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui reste encore incertain
- Quelle pierre éclate, et à quelle température ? Même au sein d'un même type de roche, les résultats varient beaucoup selon la répartition des fissures et la teneur en eau ; prédire à l'avance la température de rupture d'une pierre donnée reste difficile.
- Qui est le principal responsable, la vapeur ou l'écart de température ? Dans un éclatement réel, les deux effets agissent simultanément ; des expériences cherchent encore à distinguer la part de chacun.
- Le lien avec l'altération naturelle des roches. Dans quelle mesure ce même mécanisme explique-t-il aussi l'écaillage des roches lors d'incendies de forêt ou sous l'effet des écarts de température jour/nuit dans les déserts ? C'est un sujet toujours étudié en géomorphologie.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « une explication en l'état actuel des connaissances ». Juger de la sécurité d'une pierre à la seule vue de son apparence reste difficile : c'est la conclusion actuelle.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences 4e « changements d'état » | l'eau devenant vapeur voit son volume fortement augmenter |
| Lycée | Physique « chaleur et gaz », sciences de la Terre « roches » | équation d'état des gaz parfaits, dilatation thermique, structure des roches |
| Lycée+ | Physique (approfondi) « pression de vapeur saturante » | pression d'une vapeur d'eau prisonnière |
| Université | Résistance des matériaux, mécanique des roches | contrainte thermique, théorie de la rupture de Griffith, pression interstitielle |
| Recherche | Mécanique des roches, géomorphologie | variabilité des conditions de rupture, lien avec l'altération naturelle |
| ― | Lien avec la vie courante | choix des pierres en camping, changement brutal de température d'un récipient en verre |
- Observatoire astronomique national du Japon (éd.), Rika Nenpyō (Annuaire des sciences), Maruzen Publishing (propriétés physiques des roches, pression de vapeur saturante de l'eau) — 国立天文台編『理科年表』
- Yamaguchi Umetarō, Nishimatsu Yūichi, Introduction à la mécanique des roches, Presses de l'Université de Tokyo — 山口梅太郎・西松裕一『岩石力学入門』東京大学出版会
- Jaeger, J. C., Cook, N. G. W., Zimmerman, R. W. « Fundamentals of Rock Mechanics », 4th ed., Blackwell
- Wikipédia « Coefficient de dilatation thermique » (section contrainte thermique, en japonais)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinées à comprendre le mécanisme. Pour la pratique des feux de camp, conformez-vous aux consignes du gestionnaire du site, de la collectivité ou des pompiers.