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

Lorsqu'une force extérieure est appliquée d'une manière qui comprime ou presse un objet, elle cause un type de contrainte appelé contrainte de compression. La contrainte de compression force les atomes dans un matériau à essayer de se rapprocher plus que la structure cristalline et les forces interatomiques ne le permettent. Les atomes glissent les uns sur les autres sur des plans cristallins plus faibles et aux défauts et vides, causant le flambage et la rupture éventuelle. La contrainte de compression est un principe clé en ingénierie et science des matériaux car elle influence la résistance et la durabilité des structures et 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 section transversale normale à la force.

La résistance à la compression est la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter avant de se rompre sous compression. C'est un paramètre crucial en ingénierie des matériaux car il détermine si un matériau est approprié pour une application donnée. Cet article discutera de 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 où un objet est comprimé. Les molécules d'un matériau se rapprochent les unes des autres en raison de ce type particulier de contrainte, ce qui mène à la déformation ou à la rupture de l'objet. Comprendre la réponse des matériaux à la contrainte de compression est une partie critique de l'ingénierie et de la science des matériaux car cela affecte la résistance, la sécurité et la longévité des structures et objets manufacturés, grands et petits. Robert Hooke — un mathématicien et physicien du 17e siècle — a d'abord proposé la loi de Hooke. Cette loi décrit la relation entre le stress et la déformation d'un matériau soumis à des forces de compression ou de traction. Depuis lors, de nouvelles approches et méthodes pour calculer et analyser les contraintes de compression ont été développées dans une variété d'applications en raison des développements en science des matériaux et ingénierie.

Contrainte de compression vs 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). C'est une quantité variable qui change avec la charge appliquée et la géométrie. En contraste, la résistance à la compression est une propriété de matériau fixe qui définit la contrainte de compression maximale qu'un matériau peut supporter avant de faillir 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 quand une force est appliquée à un objet, le faisant se comprimer. Cela peut arriver dans plusieurs circonstances, comme quand quelque chose est pressé entre deux objets ou quand un matériau est soumis à beaucoup de pression. Comme les structures et matériaux sont fréquemment soumis à des charges de compression, l'occurrence de contrainte de compression dans les structures ingénieries est un événement commun.

Quelle est l'unité SI de la contrainte de compression ?

L'unité SI pour la contrainte de compression est le Pascal (Pa), nommé d'après le physicien français Blaise Pascal. Un pascal est égal à un newton par mètre carré (N/m²). Comme de nombreux matériaux subissent de fortes charges, la contrainte de compression est fréquemment mesurée en kilopascals (kPa) ou mégapascals (MPa) en ingénierie et science des matériaux. Bien que les atmosphères (atm) et les livres par pouce carré (psi) soient aussi utilisés pour exprimer la contrainte de compression, les applications scientifiques et d'ingénierie utilisent principalement l'unité SI de pascals.

Quelle est la formule de la contrainte de compression ?

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

Contrainte de compression = Force ÷ Surface

Quand la force est exprimée en newtons (N) et la surface en mètres carrés (m²), l'unité résultante de contrainte de compression est les pascals (Pa). En raison des fortes forces de compression présentes dans de nombreuses applications, la contrainte de compression est généralement exprimée en kilopascals (kPa) ou mégapascals (MPa) en ingénierie et science des matériaux.

Quelle est la formule dimensionnelle de la contrainte de compression ?

La formule dimensionnelle pour 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 quantités physiques pour analyser et comprendre les relations entre elles. Les quantités physiques impliquées dans un problème sont exprimées en termes de leurs dimensions de base, telles que la longueur, le temps, la masse et la température. L'analyse dimensionnelle peut aider à assurer l'exactitude et la cohérence des calculs et formules ainsi qu'à rationaliser les conversions d'unités en gardant trace des dimensions et unités de mesure de ces quantités. Comparé à d'autres systèmes d'unités, le système métrique ou les unités SI avec leur base 10 régulière rendent plus simple la conversion entre différentes unités dimensionnelles.

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

Contrainte de compression = Force / Surface

Où :

1. Force est la force appliquée.
2. Surface est la surface de la zone étant compressée.

La formule dimensionnelle de la force peut s'exprimer comme :

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 la surface peut s'exprimer comme :

Surface = m² = [L]²

Où :

1. L est la dimension de longueur.

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

= Force / Surface

= [M][L][T]⁻² / [L]²

En simplifiant cette expression, nous pouvons 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 structure peut supporter sans se déformer ou faillir. La limite supérieure de la contrainte de compression élevée dépend du matériau ou de la structure particulière en considération ainsi que des circonstances d'utilisation. Un matériau ou une structure peut se déformer, flamber ou se fracturer quand il est soumis à de hautes contraintes de compression. En ingénierie et science des matériaux, la contrainte de compression élevée est considérée comme une préoccupation sérieuse car elle peut résulter en défaillance structurelle et risques de sécurité dans une variété d'applications.

Quel est un exemple de contrainte de compression ?

Les 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 grades à haute résistance. Un exemple de contrainte de compression serait quand une charge est placée sur le dessus d'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 du béton tentent de maintenir leurs distances interatomiques d'origine.

L'acier est typiquement utilisé pour renforcer les structures en béton. Il augmente la résistance à la traction du matériau sans contribuer significativement à la résistance à la compression. Les projets de construction peuvent aussi bénéficier du béton caoutchouté. Le béton caoutchouté a typiquement une résistance à la compression inférieure au 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'imbriquent. Le béton caoutchouté a les avantages supplémentaires d'une ténacité, durabilité et 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 comparée à 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 plus de contrainte peut être appliquée avant l'apparition de la déformation plastique en compression et la défaillance subséquente. L'acier a aussi un haut degré de ductilité. Cette propriété lui permet de se plier et se déformer sans se fissurer, même quand 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 résistance à la compression plus faible du béton peut être attribuée à sa composition. C'est un matériau composite composé de sable, gravier, ciment et eau. La majorité de la résistance du matériau est fournie par l'agrégat sable/gravier. Le ciment sert d'agent liant pour maintenir les particules d'agrégat ensemble. Cependant, en raison de sa porosité, le béton est plus sujet à se rompre ou se fissurer quand il est soumis à des forces de compression.

Comment tester la contrainte de compression ?

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

1. Préparation de l'échantillon : Préparez un échantillon de la substance à tester. Selon la méthode de test et le type de matériau testé, cela peut impliquer la coupe, le forage ou le moulage du matériau dans une forme ou taille particulière.
2. Configuration du test : Placez l'échantillon entre deux plateaux sur un dispositif de test dans le cadre de la configuration. Les plateaux, qui sont généralement en acier, sont conçus pour répartir uniformément la force de compression sur la surface de l'échantillon.
3. Chargement : En utilisant un appareil de test tel qu'une machine d'essai universelle, une charge de compression est appliquée continuellement à l'échantillon. La méthode de test spécifie généralement le taux de chargement, qui peut changer selon le 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 alors que la charge de compression est appliquée. Ces mesures sont utilisées pour calculer la contrainte et la déformation instantanées du matériau.
5. Rupture et analyse des données : Une charge croissante est appliquée jusqu'à ce que l'échantillon faillir ou atteigne une limite de charge ou de déformation prédéterminée. La résistance à la compression du matériau est alors déterminée en analysant les données du test.

Comment calculer la contrainte de compression ?

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

Contrainte de compression = Force / Surface

Où :

1. Contrainte de compression : Le stress qu'un matériau subit du fait d'une force de compression.
2. Force : Typiquement exprimée en livres ou newtons, c'est la quantité de pression exercée sur le matériau.
3. Surface : Typiquement exprimée en pouces carrés ou mètres carrés, c'est la surface de section transversale du matériau perpendiculaire à la direction de la force.

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

Questions fréquentes sur la contrainte de compression

Quelle est la cause principale de la contrainte de compression ?

La source principale de contrainte de compression est l'application d'une force extérieure qui presse ou comprime un matériau ensemble, résultant en une réduction de volume. Une structure ou un objet pressant sur un matériau, ou l'application d'une force hydraulique ou mécanique sont juste quelques façons dont cela peut arriver.

Quels sont les effets possibles de la contrainte de compression ?

La contrainte de compression peut causer le flambage, la déformation ou la rupture d'un matériau. Un matériau subit une contrainte de compression quand une force est appliquée. Ce stress peut causer le flambage, l'écrasement ou le compactage du matériau. Selon la résistance et la résilience du matériau, les contraintes de compression pourraient causer une déformation permanente ou la défaillance d'un composant ou d'une structure.

Est-il possible de prévenir la contrainte de compression ?

Non, la contrainte de compression ne peut pas être complètement évitée. Quand un objet est comprimé ou pressé, la contrainte de compression en résulte. C'est un résultat normal de nombreux processus physiques. Par une ingénierie et des décisions de conception soignées, telles que l'utilisation de matériaux plus résistants à la compression ou la création de structures qui répartissent uniformément le stress, la contrainte de compression peut être réduite ou gérée.

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

La contrainte de compression arrive quand un matériau est comprimé ou pressé ensemble, alors que la contrainte de traction arrive quand un matériau est tiré ou étiré. La distinction principale entre les deux est que la contrainte de traction tire les atomes du matériau séparément, tandis que la contrainte de compression pousse le matériau ensemble. En ingénierie et construction, où les matériaux doivent être choisis et conçus basés sur leur capacité à résister à des types particuliers de forces, il est crucial de comprendre la distinction entre ces deux types de stress.

Résumé

Cet article a présenté la contrainte de compression, expliqué ce qu'elle est, et discuté les diverses formules nécessaires pour la calculer. Pour en savoir plus sur la contrainte de compression, contactez un représentant Xometry.
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Dean McClements

Dean McClements est diplômé B.Eng Honors en génie mécanique avec plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel comprend des rôles significatifs 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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