Contrainte de compression expliquée :définitions, unités, formules et exemples pratiques

Lorsqu'une force extérieure est appliquée de manière à comprimer ou à écraser un objet, elle provoque un type de contrainte appelée contrainte de compression. La contrainte de compression force les atomes d’un matériau à essayer de se rapprocher les uns des autres que ne le permettent la structure cristalline et les forces interatomiques. Les atomes glissent les uns sur les autres sur les plans cristallins les plus faibles et au niveau des défauts et des vides, provoquant un flambage et éventuellement une rupture.
La contrainte de compression est un principe clé en ingénierie et en science des matériaux car elle influence la résistance et la durabilité des structures et des matériaux. Habituellement, la contrainte de compression est exprimée en pascals (Pa) ou en livres par pouce carré (psi). La contrainte de compression peut être calculée en divisant la force appliquée à un objet par la surface de la section transversale normale à la force.

La résistance à la compression est la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter avant de se briser sous compression. Il s’agit d’un paramètre crucial en ingénierie des matériaux car il détermine si un matériau convient à une application donnée. Cet article abordera la contrainte de compression, comment elle est calculée, quand elle se produit et fournira des exemples.

Qu'est-ce que la contrainte de compression ?

La contrainte de compression est une force mécanique par laquelle un objet est pressé. Les molécules d'un matériau se rapprochent les unes des autres en raison de ce type particulier de contrainte, ce qui entraîne la déformation ou la défaillance de l'objet. Comprendre la réponse des matériaux aux contraintes de compression est un élément essentiel de l’ingénierie et de la science des matériaux, car cela affecte la résistance, la sécurité et la longévité des structures et des objets artificiels, grands et petits.
Robert Hooke, mathématicien et physicien du XVIIe siècle, a proposé pour la première fois la loi de Hooke. Cette loi décrit la relation entre la contrainte et la déformation d'un matériau soumis à des forces de compression ou de traction. Depuis lors, de nouvelles approches et méthodes de calcul et d'analyse des contraintes de compression ont été développées dans diverses applications grâce aux progrès de la science et de l'ingénierie des matériaux.

Contrainte de compression et résistance à la compression

La contrainte de compression fait référence à la résistance interne qu'un matériau développe par unité de surface lorsqu'il est soumis à une force de compression, généralement exprimée en pascals (Pa) ou en livres par pouce carré (psi). Il s'agit d'une quantité variable qui change en fonction de la charge appliquée et de la géométrie.
En revanche, la résistance à la compression est une propriété matérielle fixe qui définit la contrainte de compression maximale qu'un matériau peut supporter avant de se briser ou de se déformer de façon permanente. Alors que la contrainte de compression est mesurée pendant le chargement, la résistance à la compression représente le seuil auquel l'intégrité structurelle est perdue.

Quand les contraintes de compression se produisent-elles ?

Les contraintes de compression se produisent lorsqu'une force est appliquée à un objet, provoquant sa compression. Cela peut se produire dans plusieurs circonstances, par exemple lorsque quelque chose est pressé entre deux objets ou lorsqu'un matériau est soumis à une forte pression. Comme les structures et les matériaux sont fréquemment soumis à des charges de compression, l'apparition de contraintes de compression au sein des structures d'ingénierie est un événement courant.

Qu'est-ce que l'unité SI de contrainte de compression ?

L'unité SI pour la contrainte de compression est le Pascal (Pa), qui doit son nom au physicien français Blaise Pascal. Un pascal équivaut à un newton par mètre carré (N/m2). Étant donné que de nombreux matériaux sont soumis à des charges élevées, la contrainte de compression est fréquemment mesurée en kilopascals (kPa) ou en mégapascals (MPa) en ingénierie et en science des matériaux. Bien que les atmosphères (atm) et les livres par pouce carré (psi) soient également utilisées pour exprimer la contrainte de compression, les applications scientifiques et techniques utilisent principalement l'unité SI de pascals.

Quelle est la formule de la contrainte de compression ?

La formule de la contrainte de compression est calculée par la force appliquée à un objet divisée par sa section transversale. En mathématiques, cela s'écrit :

Contrainte de compression =Force ÷ Surface

Lorsque la force est exprimée en newtons (N) et que l’aire est exprimée en mètres carrés (m2), l’unité de contrainte de compression résultante est le pascal (Pa). En raison des forces de compression élevées présentes dans de nombreuses applications, la contrainte de compression est généralement exprimée en kilopascals (kPa) ou en mégapascals (MPa) en ingénierie et en science des matériaux.

Quelle est la formule dimensionnelle de la contrainte de compression ?

La formule dimensionnelle de la contrainte de compression est donnée par l'expression suivante :

[M][L]^-1[T]^-2

L'analyse dimensionnelle est une technique mathématique utilisée pour examiner les dimensions ou unités de mesure de différentes grandeurs physiques afin d'analyser et de comprendre les relations entre elles. Les grandeurs physiques impliquées dans un problème sont exprimées en termes de dimensions fondamentales, telles que la longueur, le temps, la masse et la température.
L'analyse dimensionnelle peut aider à garantir l'exactitude et la cohérence des calculs et des formules ainsi qu'à rationaliser les conversions d'unités en gardant une trace des dimensions et des unités de mesure de ces quantités. Comparé à d'autres systèmes d'unités, le système métrique ou la base 10 habituelle des unités SI facilite la conversion entre différentes unités dimensionnelles.

La contrainte de compression est définie comme la force par unité de surface agissant sur un matériau lorsqu'il est comprimé. La formule s'exprime comme suit :

Contrainte de compression =Force / Surface

Où :

1. La force est la force appliquée.
2. La surface est la surface de la surface compressée.

La formule dimensionnelle de la force peut être exprimée comme suit :

Force =m×a =kg × ms^-2 =[M][L][T]^-2

L'unité SI de masse, kg, est remplacée par la dimension de masse, M. L'unité SI de longueur, m, est remplacée par la dimension de longueur, L, et l'unité SI de temps, s, par la dimension de temps, T.

La formule dimensionnelle de l'aire peut être exprimée comme suit :

Surface=m^2=[L]^2

Où :

1. L est la dimension de la longueur.

En remplaçant ces formules dans la formule de contrainte de compression, nous obtenons :

=Force / Surface

=[M][L][T]^-2 / [L]^2

En simplifiant cette expression, on peut diviser la dimension de longueur au numérateur par le carré de la dimension de longueur au dénominateur :

[M][L]^1÷[L]^2[T]^-2

=[M][L]^1-2[T]^-2

=[M][L]^-1[T]^-2

Que signifie une contrainte de compression élevée ?

Une contrainte de compression élevée signifie que les forces de compression sont supérieures à ce qu'une substance ou une structure peut supporter sans se déformer ou s'effondrer. La limite supérieure de contrainte de compression élevée dépend du matériau ou de la structure particulière considérée ainsi que des circonstances d'utilisation. Un matériau ou une structure peut se déformer, se déformer ou se fracturer lorsqu'il est soumis à des contraintes de compression élevées. En ingénierie et en science des matériaux, les contraintes de compression élevées sont considérées comme une préoccupation majeure car elles peuvent entraîner une défaillance structurelle et des risques pour la sécurité dans diverses applications.

Qu'est-ce qu'un exemple de contrainte de compression ?

Des contraintes de compression peuvent être observées dans les applications de construction, où le béton est utilisé pour construire des structures. Le béton est réputé pour sa résistance à la compression, avec une résistance typique de 4 000 à 6 000 psi pour le béton standard et jusqu'à 10 000 psi pour les qualités à haute résistance. Un exemple de contrainte de compression serait lorsqu'une charge est placée sur une dalle de béton. L'application de la force de compression externe génère une force égale et opposée dans le béton alors que les atomes composant la structure en béton tentent de maintenir leurs distances interatomiques d'origine.

L'acier est généralement utilisé pour renforcer les structures en béton. Il augmente la résistance à la traction du matériau sans contribuer de manière significative à la résistance à la compression. Les projets de construction peuvent également bénéficier du béton caoutchouté. Le béton caoutchouté a généralement une résistance à la compression inférieure à celle du béton ordinaire. L'ajout de particules de caoutchouc au mélange de béton diminue la densité globale du matériau et a un impact sur la façon dont les particules de ciment s'emboîtent. Le béton caoutchouté présente les avantages supplémentaires d'une ténacité, d'une durabilité et d'une résistance aux chocs accrues tout en démontrant une résistance à la compression adéquate pour de nombreuses applications.

Quel matériau a une contrainte de compression plus élevée ?

L'acier a une résistance à la compression plus élevée que des matériaux tels que l'aluminium, le laiton ou le cuivre en raison de son module d'élasticité plus élevé. Le module d'élasticité est la mesure de la capacité d'un matériau à résister à la déformation élastique sous contrainte. Un module plus élevé signifie que davantage de contraintes peuvent être appliquées avant le début de la déformation plastique en compression et la rupture ultérieure. L'acier possède également un degré élevé de ductilité. Cette propriété lui permet de se plier et de se déformer sans se fissurer, même lorsqu'il est soumis à de puissantes forces de compression.

Quel matériau a une contrainte de compression plus faible ?

Comparé à d’autres matériaux, le béton a une faible résistance à la compression. Sa résistance à la compression est d'environ 4 000 à 6 000 psi, ce qui est inférieur à celle du laiton, du cuivre et de l'acier. La moindre résistance à la compression du béton peut être attribuée à sa composition. C'est un matériau composite composé de sable, de gravier, de ciment et d'eau. La majorité de la résistance du matériau est fournie par l'agrégat sable/gravier. Le ciment sert de liant pour maintenir les particules d’agrégat ensemble. Cependant, en raison de sa porosité, le béton est plus susceptible de se briser ou de se fissurer lorsqu'il est soumis à des forces de compression.

Comment tester la contrainte de compression ?

Un aperçu de la façon de déterminer la contrainte de compression est fourni ci-dessous :

1. Préparation des échantillons : Préparez un échantillon de la substance à tester. Selon la méthode de test et le type de matériau testé, cela peut impliquer de couper, percer ou mouler le matériau dans une forme ou une taille particulière.
2. Configuration du test : Placez l’échantillon entre deux plateaux sur un appareil de test dans le cadre de la configuration de test. Les plateaux, qui sont généralement en acier, sont destinés à répartir uniformément la force de compression sur la surface de l'échantillon.
3. Chargement : À l'aide d'un appareil de test tel qu'une machine de test universelle, une charge de compression est appliquée en continu à l'échantillon. La méthode de test spécifie généralement le taux de chargement, qui peut changer en fonction du type de matériau testé.
4. Mesure de la charge et de la déformation : L'appareil de test mesure la quantité de force appliquée ainsi que la déformation ou le déplacement de l'échantillon lorsque la charge de compression lui est appliquée. Ces mesures sont utilisées pour calculer la contrainte et la déformation instantanées en compression du matériau.
5. Défaillance et analyse des données : Une charge croissante est appliquée jusqu'à ce que l'échantillon échoue ou atteigne une limite de charge ou de déformation prédéterminée. La résistance à la compression du matériau est ensuite déterminée en analysant les données de test.

Comment calculer la contrainte de compression ?

La formule de calcul de la contrainte de compression est exprimée ci-dessous :

Contrainte de compression =Force / Surface

Où :

1. Contrainte de compression :contrainte subie par un matériau en raison d'une force de compression.
2. Force :généralement exprimée en livres ou en newtons, il s'agit de la quantité de pression exercée sur le matériau.
3. Surface :généralement exprimée en pouces carrés ou en mètres carrés, il s'agit de l'aire de la section transversale du matériau perpendiculaire à la direction de la force.

Pour calculer la contrainte de compression à l'aide de la formule, divisez simplement la force de compression par la section transversale du matériau. Il est courant de mesurer la contrainte de compression résultante en livres par pouce carré (psi) ou en newtons par mètre carré (N/m2).

Questions fréquemment posées sur la contrainte de compression

Quelle est la principale cause de contrainte de compression ?

La principale source de contrainte de compression est l’application d’une force extérieure qui presse ou serre un matériau ensemble, entraînant une réduction de volume. Une structure ou un objet appuyant sur un matériau, ou l'application d'une force hydraulique ou mécanique ne sont que quelques façons dont cela peut se produire.

Quels sont les effets possibles de la contrainte de compression ?

Les contraintes de compression peuvent provoquer le gauchissement, la déformation ou la rupture d'un matériau. Un matériau subit une contrainte de compression lorsqu’une force lui est appliquée. Cette contrainte peut amener le matériau à se déformer, à s'écraser ou à se compacter. En fonction de la résistance et de la résilience du matériau, les contraintes de compression peuvent provoquer une déformation permanente ou une défaillance d'un composant ou d'une structure.

Est-il possible de prévenir les contraintes de compression ?

Non, les contraintes de compression ne peuvent pas être complètement évitées. Lorsqu’un objet est pressé ou pressé, une contrainte de compression en résulte. C'est le résultat normal de nombreux processus physiques. Grâce à des décisions d'ingénierie et de conception minutieuses, telles que l'utilisation de matériaux plus résistants à la compression ou la création de structures qui répartissent uniformément les contraintes, les contraintes de compression peuvent être réduites ou gérées.

Quelle est la différence entre la contrainte de traction et la contrainte de compression ?

La contrainte de compression se produit lorsqu'un matériau est pressé ou pressé, tandis que la contrainte de traction se produit lorsqu'un matériau est séparé ou étiré. La principale distinction entre les deux est que la contrainte de traction sépare les atomes du matériau, tandis que la contrainte de compression rapproche le matériau. En ingénierie et en construction, où les matériaux doivent être choisis et conçus en fonction de leur capacité à résister à des types particuliers de forces, il est crucial de comprendre la distinction entre ces deux types de contraintes.

Résumé

Cet article présentait la contrainte de compression, expliquait ce que c'était et discutait des différentes formules nécessaires pour la calculer. Pour en savoir plus sur les contraintes de compression, contactez un représentant Xometry.
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Dean McClements

Dean McClements est titulaire d'un baccalauréat spécialisé en génie mécanique et possède plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel comprend des rôles importants dans des entreprises de premier plan telles que Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace et Hyster-Yale, où il a développé une compréhension approfondie des processus d'ingénierie et des innovations.

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