Comprendre l'élasticité

L'élasticité en physique et en science des matériaux fait référence à la capacité d'un corps à résister à une force qui provoque une distorsion et à retrouver ses dimensions d'origine une fois la force retirée. Lorsque des charges suffisantes sont appliquées, les objets solides se déforment; si le matériau est élastique, l'objet reprendra sa taille et sa forme d'origine une fois les poids supprimés. Contrairement à la plasticité, qui empêche que cela se produise et fait que l'article reste déformé.

Dans cet article, les réponses aux questions suivantes seront abordées :

• Qu'est-ce que l'élasticité ?
• Comment fonctionne l'élasticité ?
• Qui a découvert l'élasticité ?
• Pourquoi l'élasticité est-elle utile ?

Qu'est-ce que l'élasticité ?

L'élasticité en physique et en science des matériaux fait référence à la capacité d'un corps à résister à une force qui provoque une distorsion et à retrouver ses dimensions d'origine une fois la force retirée. Lorsque des charges suffisantes sont appliquées, les objets solides se déforment; si le matériau est élastique, l'objet reprendra sa taille et sa forme d'origine une fois les poids supprimés. Contrairement à la plasticité, qui empêche que cela se produise et fait que l'article reste déformé.

Pour différents matériaux, les causes physiques sous-jacentes du comportement élastique peuvent varier considérablement. Lorsque des forces sont appliquées, le réseau atomique des métaux change de taille et de forme (l'énergie est ajoutée au système). Le réseau revient à son état d'énergie inférieur initial lorsque les forces sont éliminées. L'étirement des chaînes polymères lorsque des forces sont appliquées est ce qui donne aux caoutchoucs et autres polymères leur élasticité.

Selon la loi de Hooke, quelle que soit la distance, la force utilisée pour déformer les éléments élastiques doit être directement proportionnelle à la distance de déformation. Un objet donné reprendra sa forme d'origine, quelle que soit la gravité de sa déformation; c'est ce qu'on appelle l'élasticité parfaite.

C'est simplement un concept idéal; en réalité, la majorité des matériaux élastiques ne conservent leurs propriétés élastiques pures que jusqu'à des déformations relativement mineures avant de subir une déformation plastique (permanente).

Le module d'élasticité, également appelé module de Young, module de masse ou module de cisaillement, est une mesure de la quantité de contrainte nécessaire pour produire une unité de déformation. Un module plus élevé indique que le matériau est plus difficile à déformer.

Le pascal sert d'unité SI de ce module (Pa). La tension la plus élevée pouvant exister avant le début de la déformation plastique est connue sous le nom de limite élastique ou limite d'élasticité du matériau. Pascal est aussi son équivalent SI (Pa). Des exemples de matériaux élastiques comprennent des élastiques, des élastiques et d'autres matériaux extensibles. La pâte à modeler, en revanche, est plutôt inélastique et conserve sa forme altérée même après l'arrêt de la force appliquée.

Comment fonctionne l'élasticité ?

Lorsque les forces produisant la déformation sont relâchées, un corps en matériau élastique peut reprendre sa taille et sa forme antérieures. Cette capacité est appelée comportement élastique (ou réponse) dans un corps. La plupart des matériaux solides présentent un certain degré de comportement élastique, mais pour chaque matériau, il existe une limite à la quantité de force et à la déformation qui l'accompagne dans laquelle la récupération élastique est réalisable.

La contrainte ou la force la plus élevée par unité de surface pouvant exister dans un matériau solide avant le début de la déformation permanente est connue sous le nom de limite élastique. Le matériau cède ou coule lorsque les contraintes sont appliquées au-dessus de la limite élastique. La limite élastique pour de tels matériaux dénote la transition du comportement élastique au comportement plastique. Les contraintes supérieures à la limite d'élasticité provoquent une rupture dans la majorité des matériaux fragiles avec une déformation plastique presque minimale.

La limite d'élasticité varie sensiblement selon le type de solide considéré; par exemple, une barre ou un fil d'acier ne peut être allongé élastiquement que d'environ 1 % de sa longueur d'origine, alors que des extensions élastiques allant jusqu'à 1 000 % sont possibles pour les bandes constituées de certains matériaux caoutchouteux.

Cependant, l'acier est nettement plus résistant que le caoutchouc car le caoutchouc nécessite moins de force de traction pour avoir un impact sur l'extension élastique maximale (d'un facteur d'environ 0,01) que l'acier. De nombreux solides en tension ont des caractéristiques élastiques qui se situent entre ces deux extrêmes.

L'acier et le caoutchouc ont des structures microscopiques nettement distinctes, c'est pourquoi leurs caractéristiques élastiques macroscopiques sont différentes. Les forces interatomiques à courte portée qui maintiennent les atomes dans des schémas réguliers lorsque le matériau n'est pas soumis à des contraintes sont ce qui donne à l'acier et aux autres métaux leur flexibilité.

La liaison atomique peut être rompue sous contrainte avec des déformations relativement minimes. D'autre part, les substances caoutchouteuses et autres polymères sont composées de molécules à longue chaîne qui se déroulent lorsque la substance est étirée et reculent lors de la récupération élastique. La réaction macroscopique du matériau, et non son mécanisme sous-jacent, est au centre de la théorie mathématique de l'élasticité et de son application à la mécanique de l'ingénierie.

La relation linéaire entre la contrainte de traction (tension ou force d'étirement par unité de surface de la section transversale du matériau) et le rapport d'extension (différence entre les longueurs étendue et initiale divisée par la longueur initiale), e, dans une tension simple et directe test caractérise la réponse élastique de matériaux comme l'acier et l'os.

En d'autres termes, l'expression =Ee signifie que est proportionnel à e, et E, la constante de proportionnalité, est également connue sous le nom de module de Young. Le rapport des valeurs de E pour le caoutchouc et l'acier est d'environ 100 000, selon le matériau. Une loi de comportement est l'équation =Ee, également appelée loi de Hooke.

Regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur l'élasticité :

Qui a découvert l'élasticité ?

Nous avons toujours su que certains matériaux sont plus flexibles que d'autres et qu'ils réagissent aux forces de différentes manières, mais Robert Hooke est le nom crucial à garder à l'esprit lorsque l'on parle d'élasticité. Hooke, qui a vécu du vivant d'Isaac Newton, a été le premier à calculer et à analyser avec précision le fonctionnement de l'élasticité.

Grâce à des tests approfondis avec des ressorts, Hooke a découvert la loi de l'élasticité, parfois connue sous le nom de loi de Hooke, en 1660. Le principe fondamental de la loi est que, pour des déformations relativement mineures d'un élément (comme les étirer ou les plier), le déplacement ou la quantité de déformation est précisément proportionnelle à la force ou à la charge de déformation. Lorsque la charge est retirée dans ces circonstances, l'objet reprend sa taille et sa forme d'origine.

Le comportement antérieur peut être utilisé pour expliquer le comportement élastique des solides selon la loi de Hooke. Pour qu'un matériau soit élastique, ses particules constitutives doivent pouvoir se déplacer à l'intérieur en réponse à une force extérieure, et selon la loi de Hooke, ce mouvement doit être directement proportionnel à la force appliquée.

Bien qu'il ne s'agisse pas d'une loi parfaite (pour des forces plus importantes, la limite d'élasticité est fréquemment dépassée, ce qui implique que la force provoque plus de déformations que ce qui est exactement proportionnel), la loi de Hooke est la plus cruciale à comprendre lorsque vous commencez tout juste à faire des recherches sur le sujet !

Pourquoi l'élasticité est-elle utile ?

Chaque fois que vous avez besoin de faire quelque chose, vous devez être conscient de l'importance de l'élasticité. Après tout, il ne sert à rien de créer une structure si rigide qu'elle s'effondrera dans une tempête ou une règle si flexible que vous ne pourrez pas l'utiliser pour mesurer quoi que ce soit.

Pour cette raison, comprendre la limite élastique d'un matériau est crucial pour presque toutes les tâches nécessitant de travailler pour créer ou réparer un objet, qu'il soit petit ou grand comme un gratte-ciel. Cela est particulièrement vrai pour des choses comme les véhicules et les bâtiments.

Lorsqu'ils sont soumis à des contraintes extrêmes, qui peuvent provenir de diverses sources, nous devons pouvoir compter sur ces éléments pour rester solides et ne pas échouer. Pour les ingénieurs, en particulier, l'étude de l'élasticité est essentielle car elle peut affecter de manière significative la capacité de ces éléments à résister aux dommages.

En résumé

La loi de Hooke stipule que quelle que soit la distance, la force utilisée pour déformer les éléments élastiques doit être directement proportionnelle à la distance de déformation. L'élasticité en physique et en science des matériaux fait référence à la capacité d'un corps à résister à une force qui provoque une distorsion et à retrouver ses dimensions d'origine une fois la force retirée. C'est tout pour cet article, où l'on répond aux questions suivantes sur l'élasticité :

• Qu'est-ce que l'élasticité ?
• Comment fonctionne l'élasticité ?
• Qui a découvert l'élasticité ?
• Pourquoi l'élasticité est-elle utile ?

J'espère que vous apprendrez beaucoup de la lecture, si c'est le cas, merci de partager avec les autres. Merci d'avoir lu, à bientôt !