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.

Un enfant qui applique une force sur un avion de papier pour le mettre en mouvement

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.

Une joueuse de hockey qui applique une force sur la rondelle pour changer sa trajectoire

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

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

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
Symbole de la compression
Effet
Tendance à écraser les matériaux
Une contrainte de compression sur une suspension de vélo de montagne

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
Le symbole de la traction
Effet
Tendance à étirer les matériaux
Une contrainte de traction sur une corde d’escalade

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
Le symbole de la contrainte de torsion
Effet
Tendance à tordre les matériaux
Une contrainte de torsion sur un linge à vaisselle

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
Le symbole de la contrainte de flexion
Effet
Tendance à plier ou à courber les matériaux
Une contrainte de flexion sur une slackline

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
Le symbole de la contrainte de cisaillement
Effet
Tendance à déchirer ou à fendre les matériaux
Une contrainte de cisaillement faite par des ciseaux sur une feuille de papier

Une contrainte de cisaillement sur une feuille de papier

Einar Muoni, Shutterstock.com

Application des forces dans les contraintes (4e secondaire)

Pour valider ta compréhension à propos des contraintes de façon interactive, consulte la MiniRécup suivante :

MiniRécup Sciences

Les effets des contraintes

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 déformation non apparente sur une corde soumise à une contrainte de tension (traction)

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 soumis à une contrainte de tension (traction)

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

Une déformation temporaire sur une toile de trampoline

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

Une déformation permanente sur une boule de pâte à modeler

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.

Déformation d’un ballon de caoutchouc due à l’application d’une contrainte de traction

La déformation d’un ballon de caoutchouc

5 second Studio, Shutterstock.com
Rupture d’un ballon de caoutchouc à la suite de l’application d’une contrainte dépassant le seuil de résistance du matériau

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 :

MiniRécup Sciences

Exercices

Exercice

Les forces et les contraintes des matériaux

Sciences et technologies Secondaire1-4
Exercice

Les forces et les contraintes des matériaux – Secondaire 4 – ST et ATS

Sciences et technologies Secondaire4