Tout savoir sur la contrainte de cisaillement : Découvrir cette force puissante

Dans mon travail, j'ai vu comment une force secrète peut faire fonctionner ou échouer une conception. Cette force est la contrainte de cisaillement. C'est un type de contrainte très intéressant et fort qui nous entoure. Vous ne pourrez peut-être pas le voir, mais les contraintes de cisaillement agissent dans tout. Elles sont dans une paire de ciseaux et même dans le sang qui circule dans votre corps. Vous devriez lire cet article. Je vais expliquer ce que sont les contraintes de cisaillement d'une manière simple. Je vais vous aider à apprendre cette idée principale de l'étude de la physique et de la construction. Nous verrons comment une force est appliquée et comment cela crée du cisaillement. Vous pouvez oublier les livres difficiles. Je suis ici pour vous donner les faits simples sur la contrainte de cisaillement.

Qu'est-ce que la contrainte de cisaillement, vraiment ?

Alors, quelle est cette force invisible dont je parle ? Pensez à un livre épais. Si vous appuyez directement sur la couverture supérieure, vous utilisez une contrainte normale. Mais que se passe-t-il si vous posez votre main à plat sur la couverture et que vous la poussez sur le côté ? Le livre changera de forme et les pages se déplaceront les unes contre les autres. Cette force de glissement est l'idée principale pour comprendre le cisaillement. La contrainte de cisaillement est la force par unité de surface que vous utilisez pour pousser latéralement. La définition de la contrainte pour le cisaillement est une force appliquée qui est égale à une surface.

La contrainte de cisaillement est une force qui tente de faire glisser une partie d'un objet sur une autre partie. Cette contrainte de cisaillement se produit lorsqu'une force agit sur une surface. Pensez aux pages du livre qui repoussent ce glissement. C'est là que commencent les contraintes de cisaillement. La contrainte est répartie sur toute la surface de la page. Cette contrainte est un type de force qui peut provoquer un grand changement de forme, ou déformation. La force par unité de surface est une façon simple d'y penser. La contrainte de cisaillement résultante est la chose que nous mesurons. Ce type de contrainte est très normal.

Lorsque nous parlons de contraintes de cisaillement, nous parlons de cette résistance intérieure. Chaque matériau en a. La force exercée sur la couverture du livre crée des forces internes à l'intérieur du papier. La contrainte de cisaillement est la force qui agit à l'intérieur. Ainsi, la contrainte de cisaillement est principalement une réaction à l'intérieur à une poussée ou une traction de l'extérieur. La contrainte de cisaillement est la quantité de cette force intérieure par unité de surface. C'est une grande idée pour savoir comment les choses restent ensemble ou se désagrègent à cause du cisaillement.

En quoi la contrainte de cisaillement est-elle différente des autres types de contraintes ?

Dans mon travail, j'ai dû expliquer les différents types de contraintes à plusieurs reprises. Il est facile de les confondre. La grande différence est la direction de la force. Pensez à un poteau haut qui soutient un toit. Le toit pousse directement vers le bas sur le poteau. Cela crée une contrainte de compression. C'est parce que la force est appliquée perpendiculairement au sommet du poteau. Si vous tiriez sur une corde, vous créeriez une contrainte de traction. C'est également une force appliquée perpendiculairement à une tranche de la corde.

La contrainte de cisaillement n'est pas comme ça. Avec le cisaillement, la force n'est pas perpendiculaire. La force appliquée est égale à la surface sur laquelle elle agit. Repensons à notre livre. Votre main a poussé latéralement, au même niveau que la couverture. C'est un excellent exemple de cisaillement. Ce n'est pas une contrainte de flexion. Un autre bon exemple est une paire de ciseaux. Chaque lame pousse sur le papier. Mais elles poussent de manière opposée sur un très petit point. Cela crée un niveau très élevé de contrainte de cisaillement. Cette forte contrainte coupe le papier.

Ainsi, la principale chose à retenir est la direction. Si la contrainte est appliquée par une force qui pousse ou tire directement, c'est une contrainte normale. Si la contrainte provient d'une force qui tente de faire glisser les couches d'un matériau, vous travaillez avec des contraintes de cisaillement. Une poutre peut avoir à la fois une contrainte de flexion et un cisaillement de poutre. Connaître la différence est très important lorsque vous construisez quoi que ce soit, d'un pont à une étagère. Beaucoup de choses qui se cassent sont dues à la contrainte de cisaillement.

Quelle est la formule principale pour la contrainte de cisaillement ?

Maintenant, vous vous dites peut-être : "C'est bien, Robert, mais comment lui donner un nombre ?" Je suis heureux que vous ayez posé la question. Nous pouvons calculer le cisaillement avec une formule très simple. La principale formule de contrainte de cisaillement est l'une des premières choses que les gens apprennent en ingénierie. Elle n'est pas difficile à retenir.

Contrainte de cisaillement (τ) = Force (F) / Aire (A)

Examinons ce que signifie cette formule.

• τ (Tau) : C'est une lettre de Grèce. C'est le signe de la contrainte de cisaillement.
• F (Force) : C'est la force appliquée au même niveau que la surface.
• A (Aire) : C'est la taille de la surface où la force est appliquée.

Ainsi, la formule de contrainte de cisaillement nous dit que la contrainte de cisaillement est la force divisée par l'aire. La contrainte de cisaillement peut être calculée à l'aide de cette formule simple. Cette formule est le point de départ pour connaître le cisaillement. La formule est beaucoup utilisée. Les unités de contrainte de cisaillement que nous utilisons sont également importantes. L'unité normale pour la contrainte de cisaillement est le Pascal (Pa). Un Pascal est la même chose qu'un Newton de force par mètre carré. Ainsi, vous verrez souvent les unités de contrainte de cisaillement écrites en pascals ou en newtons par mètre carré (N/m²). Cette formule simple est très utile. Elle nous permet de deviner comment un matériau agira lorsqu'une force de cisaillement est appliquée dessus. Nous utilisons souvent cette formule.

Cette formule nous montre quelque chose d'important. Il existe deux façons d'augmenter la contrainte de cisaillement. Vous pouvez augmenter la force ou vous pouvez diminuer l'aire. C'est pourquoi un couteau tranchant coupe si bien. La force de votre main est appliquée sur une très petite aire (le bord de la lame). Cela crée une très forte contrainte de cisaillement qui est suffisamment forte pour couper une tomate. La contrainte peut être calculée en utilisant cette grande idée. Cette formule est très importante pour fabriquer des pièces qui sont conçues pour résister à certaines forces. Vous pouvez utiliser cette formule pour déduire la contrainte de cisaillement dans de nombreux endroits.

Pouvez-vous me donner quelques exemples de contraintes de cisaillement ?

Oui, je peux ! La contrainte de cisaillement est tout autour de vous. Après avoir su quoi chercher, vous la verrez souvent. Voici quelques exemples normaux de contrainte de cisaillement que j'ai vus dans mon travail et dans ma vie.

• Couper avec des ciseaux : Comme je l'ai dit précédemment, une paire de ciseaux est un excellent exemple. Les deux lames exercent des forces de manière opposée sur la même ligne du papier. Cela crée une forte contrainte de cisaillement qui fait casser le papier. C'est une action de cisaillement claire.
• Boulons et rivets : Pensez à deux pièces de métal plates maintenues par un boulon. Si vous tirez les pièces de manière opposée, le boulon ressent une contrainte de cisaillement. Le boulon est la seule chose qui empêche une pièce de glisser loin de l'autre. Si la force de cisaillement est trop forte, le boulon sera coupé en deux. C'est un type direct de contrainte de cisaillement.
• Une pile de cartes : Si vous poussez la carte du dessus d'une pile de sorte que toute la pile s'incline, vous pouvez voir une déformation de cisaillement. Chaque carte se déplace juste un peu par rapport à celle qui se trouve en dessous. C'est une bonne façon de voir les contraintes de cisaillement à l'œuvre.
• Failles terrestres : D'une manière beaucoup plus grande, les grandes plaques de la Terre se déplacent les unes contre les autres. Cela crée d'énormes contraintes de cisaillement dans le sol. Lorsque la contrainte de cisaillement s'accumule puis se relâche d'un coup, cela provoque un tremblement de terre. Cela montre la grande puissance du cisaillement.
• Une poutre supportant un poids : Une poutre qui supporte un poids, comme une étagère ou une partie de pont, ressent un cisaillement de poutre. Le poids essaie de pousser une partie de la poutre vers le bas, loin des parties qui la jouxtent. Cette contrainte de cisaillement transversale serait la plus importante près des extrémités de la poutre.

Ces exemples de contrainte de cisaillement montrent à quel point ce type de contrainte est normal. C'est une force principale que les constructeurs et les scientifiques doivent connaître et planifier. La contrainte de cisaillement subie par les matériaux dans ces situations peut être très, très importante.

Quels sont les différents types de contraintes de cisaillement ?

L'idée principale du cisaillement est toujours une force de glissement. Mais il existe quelques cas particuliers ou types de contrainte de cisaillement qui ont leurs propres noms. Cela nous aide à être plus clairs dans nos emplois. J'ai travaillé avec tous ces éléments, et il est bon de savoir ce qui les différencie.

Voici un tableau pour expliquer chaque type principal de contrainte de cisaillement :

Chaque type de contrainte de cisaillement est calculé avec une formule légèrement différente. Mais elles proviennent toutes de la même règle principale : une force qui fait glisser les couches. Connaître le type spécial de contrainte de cisaillement est très important pour deviner comment un objet agira lorsqu'une force est appliquée. La contrainte de cisaillement est proportionnelle à la force dans la plupart des situations.

Comment la contrainte de cisaillement modifie-t-elle un fluide ?

C'est là que je trouve que les choses deviennent très intéressantes. La contrainte de cisaillement dans les choses dures concerne le changement de forme et la rupture. Mais dans un fluide, la contrainte de cisaillement concerne le mouvement. Lorsque vous utilisez le cisaillement sur une chose dure, elle changera un peu de forme puis s'arrêtera. Mais si vous continuez à appliquer une contrainte de cisaillement sur un fluide, il continuera à changer de forme. En d'autres termes, il coulera.

Cela se produit parce que les petites parties d'un fluide ne sont pas maintenues en un seul endroit comme elles le sont dans une chose dure. Un fluide ne peut pas lutter contre une contrainte de cisaillement en ne bougeant pas. La contrainte de cisaillement fait bouger le fluide. Le mot pour désigner la quantité dont un fluide lutte contre cet écoulement de cisaillement est la viscosité. Pensez au miel et à l'eau. Le miel a une viscosité élevée. Il lutte donc plus contre l'écoulement que l'eau. Cela signifie qu'il peut supporter une contrainte de cisaillement plus élevée pour la même quantité d'écoulement. La contrainte exercée par le fluide a à voir avec sa viscosité.

Dans l'étude des fluides, nous parlons souvent de fluides newtoniens et de fluides non newtoniens. Les fluides newtoniens, comme l'eau ou l'air, sont simples. Pour eux, la contrainte de cisaillement change directement avec le taux de cisaillement. Le taux de cisaillement est la vitesse à laquelle les couches du fluide glissent les unes sur les autres. La viscosité ne change pas. Mais pour les fluides non newtoniens, comme le ketchup ou la peinture, la viscosité peut changer. La contrainte de cisaillement peut les faire couler plus facilement ou plus difficilement. L'étude de l'écoulement des fluides consiste à savoir comment un fluide agit lorsqu'il ressent des contraintes de cisaillement.

Quelle est la relation entre la contrainte et la déformation ?

Dans mon travail, vous ne pouvez pas parler de contrainte sans parler de déformation. Elles sont comme deux parties d'un tout. Le lien entre la contrainte et la déformation est une partie très basique et importante pour savoir comment les matériaux agissent lorsqu'une force est appliquée. C'est vraiment simple : la contrainte est ce que vous faites à un objet, et la déformation est la façon dont l'objet change.

La contrainte, comme nous l'avons dit, est la force par unité de surface à l'intérieur d'un matériau. C'est la force intérieure qui lutte contre la force extérieure. La contrainte de cisaillement est le type spécial de contrainte provenant d'une force de glissement. Alors, qu'est-ce que la déformation ? La déformation est la façon dont nous mesurons la déformation, ou le changement de forme, du matériau. Pour le cisaillement, nous parlons de déformation de cisaillement. La déformation de cisaillement nous indique dans quelle mesure le matériau a changé de forme par rapport à ce qu'il était. Ce changement est dû à la contrainte de cisaillement.

Repensons à notre livre. La contrainte de cisaillement est la force de votre main répartie sur la couverture du livre. La déformation de cisaillement est le nouvel angle du côté du livre. Une poussée plus forte (plus de contrainte de cisaillement) le fera pencher davantage (plus de déformation de cisaillement). Pour la plupart des matériaux, ce lien est droit et uniforme jusqu'à un certain point. Nous appelons cela être élastique. La contrainte et le cisaillement sont directement liés à la déformation. Ce lien nous aide à deviner comment un matériau changera de forme lorsque nous utiliserons une force de cisaillement.

Comment les matériaux ressentent-ils la contrainte de cisaillement ?

Chaque matériau ressent une contrainte de cisaillement lorsque la bonne force est appliquée. Cela est vrai pour une poutre en acier dur ou un fluide en mouvement comme l'eau. Mais la façon dont ils le ressentent n'est pas la même. La façon dont un matériau est construit à l'intérieur décide de la façon dont il agira face à la contrainte de cisaillement qui est appliquée parallèlement à sa surface. La contrainte de cisaillement subie par les matériaux est une chose très importante pour la façon dont nous les utilisons.

Pour les choses dures, la contrainte de cisaillement fait glisser les couches de minuscules atomes les unes sur les autres. Si la contrainte de cisaillement n'est pas très élevée, le matériau pourrait simplement changer de forme de manière élastique. Cela signifie qu'il reprendra sa forme initiale lorsque la contrainte sera supprimée. Mais si les niveaux de contrainte de cisaillement deviennent trop élevés, la déformation peut être permanente. Le matériau pourrait également se casser complètement. Pensez à un boulon en métal qui est coupé. La contrainte de cisaillement maximale était trop importante pour lui. Différents matériaux sont conçus pour résister à différents niveaux de contrainte de cisaillement.

Pour un fluide, la sensation est un mouvement constant. Un fluide, de par sa nature, ne peut pas supporter une contrainte de cisaillement statique. La contrainte de cisaillement dans un fluide a à voir avec sa viscosité et le taux de cisaillement. La force exercée par un fluide en mouvement sur une surface est appelée contrainte de cisaillement pariétal. Elle provient du frottement entre les couches de fluide. C'est très important pour les choses qui se déplacent dans l'air et même pour le flux sanguin. La contrainte de cisaillement pariétal à l'intérieur des vaisseaux sanguins est un signe important de santé. Un taux de cisaillement plus élevé signifie qu'il y a plus de contrainte.

Quels niveaux de contrainte de cisaillement sont dangereux ?

C'est une question très importante pour tout constructeur ou concepteur. Un niveau de contrainte de cisaillement devient dangereux lorsqu'il est supérieur à la résistance au cisaillement du matériau. Chaque matériau a une limite. C'est un point où il échouera lorsqu'il sera soumis à une force. Cette limite est sa contrainte de cisaillement maximale. Si la contrainte de cisaillement dans une pièce atteint ce nombre, elle se cassera. Mon travail consiste à m'assurer que cela ne se produise pas.

Par exemple, lors de la construction d'un pont, les constructeurs doivent déterminer la contrainte de cisaillement maximale que les boulons et les poutres ressentiront. Cela provient des voitures, du vent et du poids du pont lui-même. Ensuite, ils choisissent des matériaux et des tailles qui peuvent supporter bien plus que cette contrainte calculée. C'est ce qu'on appelle un facteur de sécurité. Un niveau élevé de contrainte de cisaillement peut provoquer une rupture très importante et grave. Nous devons connaître les niveaux de contrainte de cisaillement que nos pièces peuvent supporter.

Le danger n'est pas toujours une rupture rapide. Parfois, ressentir une contrainte de cisaillement plus faible à plusieurs reprises peut faire échouer une pièce au fil du temps. Pensez à plier un trombone d'avant en arrière. Vous utilisez une contrainte de cisaillement à chaque fois, et après un certain temps, il se casse. Dans les fluides, une contrainte de cisaillement élevée peut également être mauvaise. Dans un tuyau, une contrainte de cisaillement pariétal élevée peut provoquer plus de frottement. Cela signifie qu'il faut plus de puissance pour déplacer le fluide. Elle peut également user l'intérieur du tuyau au fil du temps. Ainsi, surveiller les niveaux de contrainte de cisaillement consiste à rendre les choses sûres et durables.

Comment une force extérieure provoque-t-elle une contrainte de cisaillement ?

Cela commence toujours par une force de l'extérieur, ou une force externe. Vous ne pouvez pas avoir de contrainte s'il n'y a pas de force. Mais comment cette force extérieure crée-t-elle la contrainte de cisaillement intérieure ? L'idée principale est que la force agit d'une manière qui tente de faire glisser les parties d'un objet. La contrainte de cisaillement peut également être créée par une force qui n'est pas directe.

Examinons une poutre simple une fois de plus. Pensez à une planche de bois sur deux supports. Si vous vous tenez au milieu, votre poids est la force externe qui pousse vers le bas. Cette force traverse la planche jusqu'aux supports. Maintenant, pensez à une tranche droite de haut en bas de la planche juste à côté de l'un des supports. Le support pousse vers le haut sur un côté de la tranche. Le poids sur l'autre partie de la planche pousse vers le bas sur l'autre côté. Cela crée une force de cisaillement de haut en bas à l'intérieur de cette surface.

Cette force de cisaillement intérieure, répartie sur l'aire de la tranche de la poutre, est ce que nous appelons la contrainte de cisaillement de poutre. La force externe (votre poids) est ce qui l'a fait se produire. La force démarre une ligne de forces internes à l'intérieur du matériau alors qu'il lutte contre le fait d'être coupé ou de faire changer de forme un matériau. La contrainte de cisaillement peut être la chose la plus importante à examiner. Ainsi, à tout moment où une force est appliquée d'une manière qui fait glisser, vous obtiendrez une contrainte de cisaillement. C'est une réaction directe à cette force externe. La contrainte de cisaillement est appliquée à l'intérieur en réaction.

Points principaux à retenir

• La contrainte de cisaillement provient d'une force qui est appliquée sur une surface de manière parallèle, comme un mouvement de glissement ou de coupe.
• Ce n'est pas la même chose que la contrainte normale (pousser ou tirer). La contrainte normale provient d'une force par unité de surface perpendiculaire à une surface.
• La formule facile pour la contrainte de cisaillement est Force divisée par Aire (τ = F/A).
• La contrainte de cisaillement se trouve partout. Vous la voyez lorsque vous utilisez des ciseaux, dans les boulons d'un bâtiment et même dans la façon dont un fluide se déplace.
• Dans les choses dures, la contrainte de cisaillement provoque un changement de forme, ou déformation. Elle peut entraîner une rupture si elle est supérieure à la résistance du matériau.
• Dans un fluide, la contrainte de cisaillement a à voir avec la viscosité. Elle fait couler le fluide.
• Connaître et contrôler la contrainte de cisaillement est une partie très importante de la fabrication de produits et de bâtiments sûrs et de qualité.