M11S1_RE

Site: Moodle CSSRDN
Cours: Science 4e secondaire (ST / STE) - 2023-2024
Livre: M11S1_RE
Imprimé par: Visiteur anonyme
Date: jeudi 17 juillet 2025, 16:05

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Tu dois parcourir l'ensemble des chapitres de ce cahier de  ressources pour bien te préparer au test de validation de cette station.

1. Les contraintes

1.1 Qu'est-ce qu'une contrainte ?

Lorsque des forces sont exercées sur un objet, celui-ci tend à s'étirer, s'écraser, se tordre, plier ou se rompre, bref, à se déformer. Pour éviter que les structures des bâtiments, des ponts ou des viaducs viennent à se rompre sous l'effet des vents ou même de leur propre poids, les ingénieurs et les architectes doivent tenir compte de ses forces et de la résistance des matériaux qu'ils utilisent. Une contrainte, c'est justement l'effet qu'aura une force sur un matériau. 


Dans cette station, nous étudierons les différents types de contraintes, mais aussi les types de déformations reliées à celles-ci. Pour illustrer l'effet de ces contraintes, nous utiliserons l'exemple d'un pont qui est fréquemment soumis à bien des contraintes à cause de sa situation géographique, le Bay Bridge, qui relie Oakland et San Francisco en Californie depuis 1936. En effet, ce pont est situé dans une zone où les tremblements de terre peuvent être violents. En 1989, un séisme a d'ailleurs abimé sa structure. Entrons maintenant dans les chaussures d'un ingénieur et analysons les contraintes qui sont exercées sur un pont comme le Bay Bridge, et plus spécialement sur la portion du pont reliant San Francisco et l'île de Yerba Buena. 

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1.2 Les différents types de contrainte


Il existe cinq types de contrainte, soient la compression, la traction, la torsion, la flexion et le cisaillement

1.2.1 Compression

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Lorsque les forces en présence sont dirigées vers le centre de l'objet pour écraser celui-ci, on dit qu'il y a compression


C'est le cas par exemple pour les piliers des ponts. Le poids des véhicules et de la structure écrasent les piliers du pont. Ce n'est pas seulement la capacité portante des piliers (capacité de faire face aux contraintes liées au poids) dont il faut tenir compte ici, mais aussi à celle du sol. En effet, aussi solide le pilier soit-il, s'il s'enfonce dans le sol, la durabilité du pont s'en trouvera grandement réduite. 

1.2.2 Traction

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Lorsque des forces sont dirigées vers l'extérieur de l'objet pour étirer celui-ci, on dit qu'il y a traction


L'ensemble des câbles qui retiennent un pont suspendu comme le Bay Bridge subissent des forces de traction incroyables. Il faut dire que le pont a une particularité : c'est un pont à deux étages. Ainsi, cinq voies entrent dans San Francisco et, en-dessous de celles-ci, cinq voies en sortent. 

1.2.3 Torsion

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Lorsque des forces tendent à tordre un objet, on dit qu'il y a torsion


Comme pour tous les ponts de cet envergure, les structures sont affectées  par les vents qui peuvent être relativement violents sur une voie rapide quelques centaines de mètres au-dessus d'un plan d'eau. Les eaux froides de la baie contribuent à augmenter la force des vents. Supportée par les piliers, la chaussée a donc tendance à se tordre . 

1.2.4 Flexion

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Lorsqu'un force centrale est retenue par deux forces latérales de sens contraire ou, autrement dit, lorsqu'on tend à plier un objet, on dit qu'il y a flexion


Évidement, le poids exceptionnel du tablier du pont (vers le bas) étant retenu par les forces engendrées par les piliers (vers le haut) fait que la force de flexion est énorme sur une structure de la sorte. Chaque section du pont est soumise à cette contrainte. 

1.2.5 Cisaillement

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Lorsque deux forces de sens contraire très rapprochées l'une de l'autre ou, autrement dit, lorsqu'on tend à couper un objet, on dit qu'il y a cisaillement


Ici, la situation du Bay Bridge est tout à fait unique. En effet, la ville de San Francisco repose sur la faille San Andreas. Les risques de séismes sont donc particulièrement importants dans cette région. De plus, le mouvement du sol lors des séismes fait que les plaques tectoniques vont dans des directions opposées, comme si on déchirait le sol. On prédit d'ailleurs que, d'ici une trentaine d'années, un important tremblement de terre devrait secouer la ville puisque le dernier séisme remonte à trop longtemps. En Californie, on attend le «Big One» avec une certaine appréhension, et ce, même si les structures sont maintenant construites de façon à mieux faire face à ce genre de catastrophe naturelle. 

1.3 Vidéo récapitulative


1.4 Un peu d'exercices

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2. Type de déformation

2.1 Les effets des contraintes

Le choix des matériaux a une importance capitale dans la conception d'un objet ou d'une structure. Ce ne sont pas tous les matériaux qui réagissent de la même façon lorsqu'ils sont exposés à une contrainte. Ainsi, si on fait subir une forte compression à un amortisseur, il sera écrasé, certes, mais il reprendra sa forme une fois la contrainte retirée. Par contre, si on écrase une canette de boisson gazeuse, la canette ne reprendra pas sa forme initiale. Les forces en présence ont aussi une influence sur la déformation de l'objet. Si on étire un ressort, il reprendra généralement sa forme initiale. Pourtant, si la force est trop grande, la déformation peut devenir permanente. Si la force est encore plus forte, le ressort se brisera. 

2.2 Les types de déformation

  1. Déformation élastique
  2. Description

    Lorsque l'objet qui subit une déformation reprend sa forme au moment où la contrainte à laquelle il était exposé est retirée, on dit que la déformation est élastique. 


    C'est le cas du tremplin de la piscine, l'élastique d'un lance-pierre, le bâton de hockey lors d'un lancer ou la toile et les ressorts d'un trampoline. Tous ces objets reprennent leur forme initiale lorsqu'ils ne subissent plus la contrainte. 

  3. Déformation permanente
  4. Description

    Lorsque la déformation est permanente, l'objet qui a subi la contrainte ne reprend pas sa forme au moment où il n'y a plus de contrainte appliquée. L'objet reste donc déformé. 


    Un clou crochi, une barre de fer qui est pliée, un trombone qui est tordu sont des exemples d'objets subissant des déformations permanentes. Un ressort qui est trop étiré peut subir une déformation permanente. 

  5. Rupture
    Description

    Lorsque l'objet subi une contrainte si grande qu'il se brise, il y a rupture. À noter que si la force est trop grande, une déformation qui aurait dû être élastique peut atteindre le point de rupture. On peut penser au fameux bâton de hockey qui peut se briser lors d'un lancer-frappé. Il peut aussi arriver qu'une déformation répétée crée ce qu'on appelle une fatigue mécanique. L'élasticité du matériau est alors plus faible et on atteint plus facilement le point de rupture. C'est le cas, entre autre, lorsqu'on plie à répétition un clou qui finit par céder. 

2.3 Vidéo récapitulative

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3. Synthèse

Astuce!

Tu veux réussir mieux en étudiant moins ! Prends le temps de consigner dans le cahier de notes l'ensemble de tes apprentissages. Tu auras ainsi un cahier non seulement ordonné, mais aussi imprimable. De plus, le fait de résumer, d'expliquer, de synthétiser la matière te permet de mieux l'assimiler. Ton temps d'étude en sera sans aucun doute réduit!

Important : Lorsque tu prends des notes dans ton cahier, tu dois toujours cliquer sur "enregistrer" pour les conserver. Une fois tes notes compilées, n'oublie pas de cocher la boite à côté de cette ressource afin d'avoir accès au test de validation de la station.

Voici ce que je retiens de la station 1


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