Thème 5 : Comment les structures s’écroulent

Sciences 7Module 4

Mme Adèle

Tiens-toi bien droit!

• Qu’est-ce qui empêche les gens de tomber?

Tiens-toi bien droit!

1. Tenez-vous debout de manière que votre joue droite, votre bras droit et votre pied droit soient contre le mur. Essayez de lever le pied gauche.

2. Asseyez-vous sur une chaise les pieds à plat sur le plancher. Essayez de vous mettre debout sans utiliser les mains et sans vous pencher en avant.

3. Les pieds ensemble, penchez-vous et, avec les mains, prenez-vous les orteils. Maintenant, essayez de faire un bond. Pouvez-vous y parvenir?

Tiens-toi bien droit!

1. Si tu te trouves dans une position stable, comment la position de ton corps doit-elle changer pour que tu puisses commencer à bouger?

2. En quoi ce changement influe-t-il sur les forces qui agissent sur ton corps?

3. Que doit-il se passer, qui ne se passe pas, pour que vous puissiez faire un bond?

La défaillance des matériaux

• La plupart des structures naturelles et artificielles finissent par s’user. Les ingénieur(e)s essaient de prolonger la vie de la structure en améliorant sa résistance et sa stabilité pour résister autant que possible aux forces.

• Grâce à un entretien régulier (nettoyage, retouches et peinture), un bon nombre de structures peuvent avoir une durée de vie presque illimitée.

Le cisaillement

• Le sol et la brique sont particulièrement vulnérables aux ruptures causées par le cisaillement. Le cisaillement peut aussi avoir un effet sur les éléments d’assemblage si les deux matériaux qu’ils joignent ne sont pas maintenus fermement ensemble. À mesure qu’un espace s’ouvre entre les deux pièces, les forces de cisaillement augmentent lorsque les pièces bougent.

Le gauchissement

• Les objets minces et plats sont vulnérables aux ruptures causées par le gauchissement.

La torsion

• La torsion est étroitement liée au cisaillement. La forme de tension qui se produit en réalité dépend de l’endroit où les forces de compression sont appliquées et la direction dans laquelle elles sont appliquées.

La flexion

• La flexion est une combinaison de compression et de tension : la tension s’exerce sur l’extérieur de la courbe et la compression sur l’intérieur. Lorsqu’un objet est plié et déplié plusieurs fois, des dommages peuvent survenir parce que les matériaux sont alternativement soumis à la tension et à la compression.

Le polystyrène

• La tension – tirez le polystyrène dans des directions opposées

• Le cisaillement – déchirez le polystyrène comme vous déchireriez le papier

• La compression – poussez les extrémités du bout de polystyrène vers l’intérieur

• La torsion – tordez le morceau de polystyrène

Classifiez chacune des structures

a) La laine à tricoter est faite de plusieurs fils.b) Les transmissions de voiture permettent à diverses pièces

de glisser les unes sur les autres.c) Les pare-chocs d’automobile sont faites de minces

couches.d) Le soufflet d’un accordéon a des plis.e) L’hélice d’un moteur hors-bord est retenue aux

engrenages par une goupille qui peut casser.f) Les cordes sont fabriquées en tressant plusieurs fils.g) Les carrosseries d’automobile sont faites de métal en

feuille, qui est flexible.

Classifiez chacune des structures

a) La laine à tricoter est faite de plusieurs fils. torsionb) Les transmissions de voiture permettent à diverses pièces de

glisser les unes sur les autres. cisaillementc) Les pare-chocs d’automobile sont faites de minces couches.

gauchissement ou flexiond) Le soufflet d’un accordéon a des plis. gauchissement ou flexione) L’hélice d’un moteur hors-bord est retenue aux engrenages par

une goupille qui peut casser. cisaillementf) Les cordes sont fabriquées en tressant plusieurs fils. torsiong) Les carrosseries d’automobile sont faites de métal en feuille,

qui est flexible. gauchissement ou flexion

Les forces utilisées de manière positive

• Donnez d’autres exemples où les forces de flexion, de gauchissement, de cisaillement ou de torsion sont utilisées dans l’intérêt public.

• Les lampadaires sur les autoroutes et dans les stationnements sont maintenus en place par des écrous qui feront céder les poteaux sous la force d’un impact.

• Des écrous qui s’enlèvent rapidement sont utilisées pour fixer les panneaux des camions-citernes. En cas d’augmentation de la pression à l’intérieur du camion, les écrous et les panneaux s’arrachent, libérant la pression avant que le camion n’explose.

La compression

• par un presse-ail, par un amortisseur ou une semelle de chaussure pour réduire l’impact.

La tension

• pour changer son produit par une corde de guitare, lorsqu’un câble pour saut en bungee ou un élastique est utilisé pour faire tenir des choses ensemble.

La flexion

• lorsque l’arc d’un archer est tendu pour lancer une flèche, la flexion d’un bâton de hockey ou d’un bâton de golf pour accroître l’impact sur la rondelle ou la balle de golf.

La torsion

• pour tenir deux fils ensemble dans un connecteur, pour essorer une vadrouille.

La fatigue du métal

• La fatigue du métal se produit lorsqu’une pièce de métal est soumise à des forces qui la font plier ou se tordre. De petites fissures dans la structure cristalline du métal sont exagérées et aggravées par ces tensions qui entraînent la rupture du métal.

La fatigue du métal

• On a commencé à la considérer comme cause possible des accidents d’avion.

• Les vieux ponts peuvent présenter des risques.• On utilise des techniques d’imagerie pour

détecter des signes de fatigue du métal.

Les défauts résultant de la production

• Certaines des tensions qui peuvent mener plus tard à la fatigue du métal sont produites au départ pendant l’usinage et le traitement du métal.

• Pendant le traitement thermique de l’acier, une substance moins dense appelée austénite est transformée en une substance beaucoup plus dense, beaucoup plus solide et à grain beaucoup plus fin appelée martensite.

• Il reste toujours une petite quantité d’austénite qui n’est pas convertie en martensite.

Prévenir ou corriger les défauts liés à la production

• Pour prévenir les défauts liés à la production, on peut soumettre le métal à un traitement cryogénique.

• On a découvert que le traitement cryogénique peut achever le processus de revenu (qui transforme le reste de l’austénite en martensite).

Les défauts causés par l’utilisation

• Les métaux constamment exposés à l’eau, à l’air, au sel et à d’autres substances corrosives finissent par se détériorer au point où ils deviennent vulnérables à la fatigue du métal.

Les défauts causés par l’utilisation

• La corrosion par crevasse• la corrosion par piqûres• la corrosion par frottement• la corrosion par érosion• la corrosion par cavitation• la corrosion sous tension• la corrosion intergranulaire• la corrosion microbiologique• la corrosion à haute température

Prévenir la fatigue due à l’utilisation

• Il est possible de prévenir ou du moins de ralentir la corrosion en recouvrant les surfaces de métal d’un type quelconque de revêtement protecteur (peinture, vernis, huile, graisse, etc.)

La fatigue des matériaux composites

• Des ruptures par fatigue s’observent aussi dans des matériaux composites comme les fibres de verre. Ces types de fatigue semblent être liés à l’affaiblissement des extrémités des fibres.