Science et technologie s1446

Les contraintes des matériaux (les effets des forces)

 Les types de contraintes

Une contrainte correspond à la tendance d'un matériau à se déformer sous l'effet de forces externes exercées sur lui. Une contrainte décrit donc l'effet des forces exercées sur un matériau.


Tous les matériaux sont susceptibles de se déformer sous l'effet de forces externes. Toutefois, l'idée de "contrainte" ne représente pas la déformation du matériau en soi; il s'agit plutôt d'une représentation des effets des forces extérieures qui ont tendance à déformer ce matériau.

La corde soutenant un alpiniste est tendue par le poids de celui-ci.

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Une orange se comprime lorsqu'on en extrait le jus.

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Il existe cinq principaux types de contraintes.

Type de contrainte Description Symbole Exemples
Compression Les forces ont tendance à écraser le matériau. Une suspension de vélo qui amortit les chocs; les ressorts d'un matelas qui se compriment sous notre poids; une canette que l'on écrase; etc.
Traction Les forces ont tendance à étirer le matériau. La traction est l'inverse de la compression car les forces y agissent en sens opposé. Deux équipes qui tirent sur une corde lors d'une souque à la corde; le cable d'une grue mécanique qui s'étire lorsqu'il soulève du poid; du cuivre qu'on étire pour en faire du fil; etc.
Torsion Les forces agissant sur le matériau ont tendance à le tordre. Un pont qui se tord sous l'effet de forts vents; des fils électriques que l'on torsade pour en faire un cable; du linge qu'on essore; etc.
Flexion Les forces feront courber le matériau sur lequel elles agissent. Une tablette qui se courbe sous le poids des livres; un poisson qui fait fléchir une canne à pêche; des vêtements qui font courber une corde à linge; etc.
Cisaillement Le matériau a tendance à se fendre, à se déchirer. Du papier que l'on déchire; du métal que l'on découpe; etc.

Les types de déformations

Sous l'effet des contraintes qu'il subit, un matériau peut subir différentes conséquences, soit présenter trois types de déformations différentes. Une déformation peut être temporaire si elle disparaît avec le retrait des forces extérieures alors qu'elle est permanente lorsqu'elle demeure même en l'absence de contraintes. Cependant, tous les matériaux ont une limite à pouvoir se déformer. Lorsque les contraintes exercées sont trop importantes, elles entraînent la rupture du matériau. Chaque matériau possède un seuil de résistance spécifique qui correspond au seuil limite du niveau de contrainte qu'il peut subir sans se briser.

Type de déformation Description Exemples
Élastique Changement temporaire dans la forme ou les dimensions d'un objet. Celui-ci reprend sa forme initiale dès qu'il n'y a plus de contrainte. C'est un changement réversible. Un élastique qui reprend sa forme initiale après étirement; une trampoline qui se déforme lorsqu'on y saute; etc.

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Permanente (ou plastique) Changement permanent dans la forme ou les dimensions d'un objet. C'est un changement irréversible car l'objet ne reprend plus sa forme initiale, même lorsque la force causant la déformation est suprimée. Un fil de métal que l'on courbe; une canette écrasée sous notre pied; une planche de bois qui plie sous le poids de livres; etc.

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Rupture Bris de l'objet sous l'effet d'une contrainte plus forte que le seuil de résistance de l'objet. Un verre que l'on échappe par terre; une craie qui se brise en morceaux; etc.

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Lorsqu'un matériau est soumis à des contraintes répétives, il peut devenir plus fragile. Ce phénomène s'appelle fatigue mécanique. Dans ce cas, au lieu de simplement se déformer, le matériau finira par se rompre. Certaines industries ont recours à des essais de fatigue mécanique pour évaluer l'endurance des matériaux qu'ils utilisent afin de construire des objets résistants et durables.

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