Pourquoi les cailloux de rivière sont-ils ronds ?
— Ce qui a été usé, c'est l'angle qui dépassait le plus
En vous baissant sur la berge pour ramasser un caillou, vous remarquez que tous ont perdu leurs angles et sont devenus ronds. Pourtant, sur un versant de montagne, les cailloux semblent anguleux, comme s'ils venaient juste de se briser. C'est en fait le même type de caillou, qui change de forme en descendant la rivière. Il devient rond parce que la force se concentre uniquement sur les angles qui dépassent, et que ce sont eux qui s'usent en premier.
Vous marchez sur une large berge. Sous vos pieds, des cailloux de la taille d'un poing s'étendent à perte de vue. En en prenant un dans la main, vous sentez une forme arrondie, agréable à tenir.
Mais si vous regardez un bloc rocheux qui s'est effondré au bord d'une route de montagne, il est anguleux. Ses bords sont tranchants, comme ceux d'un verre brisé.
Le matériau du caillou est pourtant le même. Alors pourquoi seuls les cailloux de la berge sont-ils tous ronds ? Et pourquoi, plus on va vers l'aval, plus les cailloux sont petits et ronds ?
Il y a deux grandes raisons
Quand un caillou roule sur le fond de la rivière, c'est toujours la partie la plus saillante qui heurte le sol. La force se concentre sur une petite surface, donc un angle s'écaille bien plus facilement qu'une face plate. Si les saillies s'usent en premier, ce qui reste finit par être rond.
Un caillou ne descend pas jusqu'à la mer en une seule fois : il avance un peu chaque fois que le niveau de l'eau monte. Un caillou situé en aval a donc parcouru une distance bien plus longue. Cette longueur de trajet se traduit directement par le degré d'usure de ses angles.
La première raison concerne un caillou pris isolément ; la seconde concerne la rivière dans son ensemble. Voyons-les dans l'ordre.
Que veut dire « s'user en premier par les angles » ?
Le fait qu'un matériau s'écaille ou non ne dépend pas seulement de l'intensité de la force appliquée, mais aussi de la surface sur laquelle cette force se concentre. En appuyant avec la même intensité, on ne creuse pas la même chose avec la paume de la main que du bout d'un seul doigt.
Quand un caillou anguleux heurte le fond de la rivière, le premier point de contact est une pointe aiguë. Tout le poids et toute la vitesse du caillou se concentrent sur ce minuscule point. C'est pourquoi c'est justement là que de petits éclats se détachent.
À l'inverse, quand c'est une surface bombée et arrondie qui touche le fond, le contact s'étale sur une plus grande zone. Même en heurtant avec la même vitesse, la force se disperse et le caillou s'écaille moins facilement. Regardez la partie gauche de la figure 1.
C'est cette différence qui explique pourquoi un caillou change vite de forme tant qu'il a des angles, puis très lentement une fois devenu rond. La rondeur est en quelque sorte la forme terminale que l'usure finit toujours par atteindre.
Pourquoi n'y a-t-il surtout que des cailloux ronds et petits en aval ?
Les cailloux d'une rivière ne sont pas toujours en mouvement. En temps normal, ceux du fond ne bougent pas d'un centimètre. Ce n'est que lorsque le niveau de l'eau monte et que le courant s'accélère qu'ils se mettent à rouler, avant de s'immobiliser de nouveau.
Le voyage d'un caillou se fait donc par petits déplacements, étalés sur des années. Un caillou situé en aval est un caillou qui a répété ce petit déplacement un grand nombre de fois. Plus il a roulé souvent, plus ses angles ont disparu.
Un autre phénomène joue également un rôle : le tri effectué par la rivière. Le courant ne peut transporter que des cailloux d'une taille limitée. Les gros cailloux restent abandonnés en amont, et seuls ceux qui sont devenus assez petits continuent leur route. C'est ainsi qu'en aval s'accumulent surtout des cailloux « bien usés et devenus petits ».
L'usure et le tri : c'est la combinaison de ces deux phénomènes qui expliquerait pourquoi les cailloux sont plus ronds et plus petits en aval.
Les cailloux du littoral ont plutôt tendance à prendre la forme d'un disque plat, plus aplati que ceux des rivières. Comme les vagues vont et viennent, le caillou est frotté d'avant en arrière au même endroit. Il passe plus de temps à être caressé qu'à rouler. On pense que la façon dont un caillou est déplacé influence directement la forme finale qu'il atteint.
En observant attentivement les cailloux d'une berge, on remarque que leur degré de rondeur n'est pas uniforme. Une roche friable perd vite ses angles, tandis qu'une roche dure les conserve longtemps. Pour une même distance parcourue dans la même rivière, la vitesse d'arrondissement dépend de la nature de la roche. La rondeur d'un caillou est donc le produit de la longueur de son trajet et de sa propre résistance.
Résumé
Les cailloux d'une berge ne sont pas ronds parce que quelqu'un les a polis. C'est parce qu'à chaque fois qu'ils roulent, la force se concentre uniquement sur l'angle le plus saillant, et que c'est de là que partent les éclats. Une fois les angles disparus, la force se disperse et l'usure ralentit. La rondeur est la forme à laquelle aboutit finalement un caillou qui n'a cessé de s'user.
Un caillou rond n'a pas été poli.
Sa forme est celle qui reste après avoir perdu, un par un, ses points les plus saillants.
Le mécanisme par lequel la rivière elle-même change de forme est expliqué dans Pourquoi une rivière ne coule-t-elle pas droit, et serpente-t-elle ?. Ce qui se passe quand la glace prend le relais pour l'érosion est expliqué dans Pourquoi un glacier, fait d'une glace pourtant dure, s'écoule-t-il comme une rivière ?. Et pour savoir où finissent par aller les particules ainsi arrachées, voyez aussi Pourquoi l'eau de mer est-elle salée ?.
- Mettez une poignée de petits cailloux anguleux et de l'eau dans un récipient avec couvercle. Secouez en comptant jusqu'à 100, puis 200, en observant de temps en temps à quel point l'eau devient trouble. Ce trouble, c'est de la poudre de roche arrachée.
- Mettez 4 morceaux de sucre en morceaux dans un récipient fermé, sans eau, et secouez. En quelques dizaines de secousses seulement, les angles s'arrondissent et une poudre blanche s'accumule au fond. On voit ainsi très vite que l'usure commence toujours par les angles.
- Si vous pouvez vous rendre sur une berge, ramassez 10 cailloux, alignez-les du plus rond au plus anguleux, et vérifiez si les plus gros ont tendance à être aussi les plus anguleux.
Lors d'une observation sur une berge, ne vous approchez pas du bord de l'eau et restez sur un sol stable. N'y allez pas par mauvais temps.
Pour en savoir plus — vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu niveau collège jusqu'aux matières spécialisées universitaires, chaque niveau est indiqué clairement
- CollègeContenu du programme de sciences au collège
- LycéeContenu du programme de « sciences de la Terre de base / physique de base » au lycée
- Lycée+Contenu approfondi du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (sédimentologie, géomorphologie)
- RechercheSujet qui n'est même pas enseigné à l'université comme une certitude établie, et qui fait encore l'objet de recherches actives
CollègeVocabulaire : ce phénomène porte un nom
- Émoussement : le fait, pendant le transport, de perdre ses angles et de devenir progressivement rond. La rondeur d'un caillou de rivière est la mesure de l'avancement de ce phénomène.
- Abrasion : le fait que la surface s'use peu à peu par frottement. Cela se produit aussi bien lors des chocs entre cailloux que par le frottement contre le fond de la rivière.
- Tri sélectif : le fait que le courant ne transporte plus loin que les grains d'une certaine taille. C'est ce mécanisme qui explique l'alignement de cailloux de taille homogène observé en aval.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quand le courant s'accélère, quelle taille de caillou peut-il déplacer ?
Le fait qu'un caillou se mette en mouvement ou non dépend énormément de la vitesse du courant. On sait, par l'expérience, que le poids du plus gros caillou déplaçable est à peu près proportionnel à la puissance sixième de la vitesse du courant. Voyons avec des chiffres ce qui se produit quand la vitesse est multipliée par 4.
| Écrit avec des symboles | F = C × ρ × v² × d² (force de poussée), W = k × d³ (poids du caillou). À l'équilibre F = μ × W, on obtient d ∝ v², donc M ∝ d³ ∝ v⁶ |
| Écrit en mots | La force avec laquelle le courant pousse un caillou est proportionnelle au « carré de la vitesse × la surface de la section du caillou », et le poids du caillou est proportionnel au « cube de sa taille ». La taille du caillou pour laquelle les deux s'équilibrent est proportionnelle au carré de la vitesse, et le poids de ce caillou est proportionnel à la puissance sixième de la vitesse. |
| D'où vient cette formule | De l'équilibre entre la force que l'eau exerce sur le caillou (traînée) et le poids qui plaque le caillou contre le fond (frottement). Cette « loi de puissance six » est aussi appelée loi d'Airy. |
| Symbole | Signification et unité |
| v | Vitesse du courant (mètres par seconde) |
| d | Taille du caillou (diamètre, en mètres) |
| M | Poids du plus gros caillou que le courant peut déplacer (grammes) |
| ρ | Densité de l'eau (environ 1000 kilogrammes par mètre cube) |
| C, k, μ | Coefficients déterminés par la forme du caillou, son poids dans l'eau et le frottement avec le fond (traités comme des nombres sans unité) |
| Vitesse du courant en temps normal | 0,5 mètre par seconde |
| Vitesse quand le niveau de l'eau monte | 2 mètres par seconde |
| Estimation du poids déplaçable | Proportionnel à la puissance sixième de la vitesse du courant |
| De combien la vitesse a-t-elle été multipliée ? | 2 ÷ 0,5 = 4 |
| On multiplie deux fois par 4 | 4 × 4 = 16 |
| On multiplie encore deux fois | 16 × 16 = 256 |
| On multiplie les deux fois restantes | 256 × 16 = 4096 |
| Si un caillou de 1 gramme bougeait normalement (en grammes) | 1 × 4096 = 4096 |
Il suffit que la vitesse soit multipliée par 4 pour que le poids du plus gros caillou déplaçable soit multiplié par environ 4000. Un courant qui, normalement, ne déplace que des grains de sable, se met alors à faire rouler un caillou d'environ 4 kilogrammes. Dans ce calcul, la vitesse est exprimée en « mètres par seconde » et le poids en « grammes ». C'est pour cette raison que l'on pense qu'une grande partie du travail d'arrondissement d'un caillou se fait pendant les brèves périodes de crue.
LycéeLycée+Reformuler « l'usure commence par les angles » en termes de force et de surface
LycéeL'intensité d'une force à l'intérieur d'un matériau se mesure en divisant la force appliquée par la surface qui la reçoit. Quand c'est l'angle d'un caillou qui touche, le dénominateur de cette division devient très petit. Pour une même force, l'intensité au niveau de l'angle peut être des dizaines de fois supérieure à celle obtenue sur une face plane, et c'est donc là que la rupture se produit d'abord.
Lycée+La quantité de matière usée correspond mieux à la distance parcourue par roulement qu'au temps écoulé. Comme la perte diminue proportionnellement à la quantité d'angles qui restent, la rondeur progresse d'abord très vite, puis atteint un plateau. On estime souvent qu'une grande partie de la rondeur finale se joue déjà sur les premiers kilomètres, en amont.
UniversitéComment distinguer les causes de « plus fin en aval » ?
En sédimentologie et en géomorphologie universitaires, la diminution de la taille des cailloux vers l'aval est analysée en séparant la part due à l'abrasion et celle due au tri. On combine des expériences où l'on mesure l'usure de cailloux placés dans un appareil rotatif, des relevés répétés de la taille et de la forme des cailloux le long d'une rivière, et des simulations numériques du mouvement des grains sur le fond, afin d'estimer la contribution de chaque mécanisme. La forme d'un caillou se décrit aussi, en plus de sa rondeur, par les rapports entre ses trois dimensions. La relation selon laquelle la taille des cailloux diminue de façon exponentielle vers l'aval est appelée loi de Sternberg ; les cailloux transportés en roulant sur le fond sont désignés comme la charge de fond, et le seuil à partir duquel le courant commence à déplacer les cailloux est appelé force de traction critique (dont la forme sans dimension est le nombre de Shields).
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Wikipédia « charge de fond »
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- La part de l'abrasion et celle du tri : parmi les causes de la diminution de taille des cailloux en aval, la part exacte due à l'abrasion et celle due au tri varient selon la rivière. Il n'existe pas encore de critère général permettant de trancher.
- Écarts entre expérience et nature : le taux d'usure mesuré en faisant tourner des cailloux dans un appareil ne correspond pas toujours à celui observé sur le terrain. On pense que la durée pendant laquelle les cailloux restent immobiles au fond joue un rôle, mais les vérifications sont toujours en cours.
- Ce que la forme raconte du passé : jusqu'à quel point peut-on déduire, à partir de la seule forme d'un caillou, d'où il vient et quelle distance il a parcourue ? C'est une question encore ouverte, qui se pose aussi pour l'interprétation des petits cailloux ronds découverts sur d'autres planètes.
Le contenu de cet article reflète donc « ce que l'on comprend à l'heure actuelle ». Les estimations de proportions, en particulier, pourraient être révisées à l'avenir.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : transformations de la Terre, formation des strates | Le transport et l'arrondissement des cailloux, la finesse croissante vers l'aval |
| Lycée | Sciences de la Terre : reliefs et sédimentation / Physique : forces et pression | Le rôle du tri, l'explication de la concentration de la force sur les angles |
| Lycée+ | Sciences de la Terre : reliefs fluviaux / Physique : rupture des matériaux | Le plateau atteint par la rondeur avec la distance |
| Université | Sédimentologie, géomorphologie | La séparation entre abrasion et tri, les méthodes de mesure de la forme des cailloux |
| Recherche | Observation et expérimentation sur les matériaux du lit des rivières | Les écarts entre expérience et nature, la lecture du passé à partir de la forme |
| — | Liens avec la vie quotidienne | La cueillette de cailloux sur une berge, la reconnaissance des pierres de jardin et des graviers |
- Japanese Geomorphological Union (日本地形学連合) (éd.), 地形の辞典 [Dictionnaire de la géomorphologie], Asakura Shoten (朝倉書店).
- Matsukura Kiminori (松倉公憲), 地形変化の科学 ― 風化と侵食 [La science du changement des reliefs — altération et érosion], Asakura Shoten (朝倉書店).
- Kaizuka Sōhei (貝塚爽平) et al., 写真と図でみる地形学 [La géomorphologie en photos et schémas], University of Tokyo Press (東京大学出版会).
- Ministère du Territoire, des Infrastructures, des Transports et du Tourisme (国土交通省), « Normes techniques pour les rivières et le contrôle de l'érosion (partie enquête) » (河川砂防技術基準（調査編）), passage relatif à l'étude des matériaux du lit des rivières.
※Cet article est une explication scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des repères approximatifs destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Si vous observez une berge ou une plage, ne vous approchez pas trop du bord de l'eau, vérifiez les informations sur la météo et le niveau de l'eau, et suivez les consignes affichées par les autorités locales.