Les forces et les contraintes des matériaux
Secondaire 1-4
Les forces
Une force est une action qui peut mettre un corps en mouvement, modifier son mouvement ou le déformer.
Modifier l’état de repos d’un corps signifie le mettre en mouvement.
Pour lancer un avion de papier dans les airs, on doit appliquer une force sur celui-ci.
L’application d’une force sur l’avion de papier pour le mettre en mouvement
MH-Lee, Shutterstock.com
Modifier le mouvement d’un corps, c’est le ralentir, l’accélérer ou modifier sa trajectoire.
Pour changer la vitesse et la trajectoire d’une rondelle, on doit agir sur cette dernière en appliquant une force à l’aide du bâton.
L’application d’une force sur la rondelle pour changer sa trajectoire
Steve Gilbert, Shutterstock.com
Déformer un corps signifie modifier sa forme.
Pour écraser une boule de pâte, on y applique une force de compression.
Une force de compression sur une boule de pâte
Johnny Bravoo, Shutterstock.com
Les contraintes
Si plusieurs forces sont exercées simultanément sur un matériau, celui-ci peut tendre à se déformer de différentes façons. On appelle contrainte l’effet que ces forces ont sur le matériau.
Les contraintes
On distingue différentes contraintes en fonction de la quantité et de l’orientation des forces exercées.
La compression
| Application des forces | Symbole |
|---|---|
| Deux forces appliquées l’une vers l’autre |  |
| Effet | |
| Tendance à écraser les matériaux |
Une contrainte de compression sur une suspension de vélo de montagne
DaniiD, Shutterstock.com
La traction
| Application des forces | Symbole |
|---|---|
| Deux forces appliquées dans des sens opposés |  |
| Effet | |
| Tendance à étirer les matériaux |
Une contrainte de traction sur une corde d’escalade
Dmytro Balkhovitin, Shutterstock.com
La torsion
| Application des forces | Symbole |
|---|---|
| Une ou deux forces parallèles et de sens opposés, appliquées sur un objet de façon à le faire tourner autour d’un axe |  |
| Effet | |
| Tendance à tordre les matériaux |
Une contrainte de torsion sur un linge à vaisselle
Lek in a BIG WORLD, Shutterstock.com
La flexion
| Application des forces | Symbole |
|---|---|
| Une ou plusieurs forces parallèles et de sens opposés, appliquées à des endroits différents sur un objet |  |
| Effet | |
| Tendance à plier ou à courber les matériaux |
Une contrainte de flexion sur une slackline
Vaclav P3k, Shutterstock.com
Le cisaillement
| Application des forces | Symbole |
|---|---|
| Deux forces parallèles et de sens opposés appliquées de façon légèrement décalée l’une par rapport à l’autre |  |
| Effet | |
| Tendance à déchirer ou à fendre les matériaux |
Une contrainte de cisaillement sur une feuille de papier
Einar Muoni, Shutterstock.com
Pour valider ta compréhension à propos des contraintes de façon interactive, consulte la MiniRécup suivante :
Les effets des contraintes
Les effets des contraintes
Selon la nature du matériau et la grandeur de la force appliquée, la déformation peut être non apparente ou apparente.
Si on applique une contrainte de traction sur une corde non élastique, celle-ci conserve sa forme et ne s’étire pas. La déformation est non apparente.
Une corde qui ne se déforme pas
Marc Dietrich, Shutterstock.com
Si on applique une contrainte de traction sur un élastique, celui-ci se déforme en s’étirant. La déformation est apparente.
Une déformation apparente sur un élastique
Sharomka, Shutterstock.com
Les contraintes peuvent provoquer deux types de déformations, soit la déformation temporaire et la déformation permanente.
| Type de déformation | Description | Exemple |
|---|---|---|
|
Déformation temporaire (ou élastique) |
Le matériau est déformé lorsqu’on applique la contrainte, puis reprend sa forme initiale au moment où la contrainte cesse d’être appliquée. |
Une trampoline qui se déforme sous le poids d’une personne  Pavel1964, Shutterstock.com |
|
Déformation permanente (ou plastique) |
Le matériau est déformé lorsqu’on applique la contrainte, mais ne reprend pas sa forme initiale au moment où la contrainte cesse d’être appliquée. Il conserve sa nouvelle forme. |
De la pâte à modeler qui se déforme quand on l’écrase  DanitzaPulgarM, Shutterstock.com |
Les matériaux ont un seuil de résistance, c’est-à-dire une force maximale qu’ils peuvent supporter. Si la contrainte dépasse le seuil de résistance du matériau, celui-ci se rompt. On appelle cet effet la rupture.
Lorsqu’on gonfle un ballon, le caoutchouc subit une contrainte de traction et se déforme. Si la contrainte dépasse le seuil de résistance du matériau, le ballon éclate. C’est la rupture.
La déformation d’un ballon de caoutchouc
5 second Studio, Shutterstock.com
La rupture d’un ballon de caoutchouc
New Africa, Shutterstock.com
Pour valider ta compréhension à propos des contraintes de façon interactive, consulte la MiniRécup suivante :