ÉLASTICITé (en science PHYSIQUE)

-élasticité (en général)

L'élasticité est le domaine des déformations non permanentes d'un corps solide.

Ci-dessous, jargon (par ordre alphabétique) de tous les termes relatifs à l'élasticité.

 

1.l'ALLONGEMENT

voir chapitre spécial  

L'allongement est l'excédent de longueur acquise par un corps, quand on l'étire dans une certaine direction.Les synonymes sont étirement et extension

Si l0 est la valeur initiale et l1 la valeur finale de la longueur en question:

l'allongement est la longueur ajoutée >>> Dl = (l1- l0)

Attentionallongement est souvent confondu avec élongation, dans les ouvrages de vulgarisation (l'élongation étant pour sa part, la longueur totale étirée)

L'allongement d'un matériau est fonction de la force qui l'étire. Au cours de la durée de l'étirement, il y a d'abord proportionnalité entre force et allongement (loi de Hooke), puis c'est un peu moins proportionnel puis beaucoup trop proportionnel, jusqu'à la rupture

-l'allongement relatif  est (Dl / l0) qui est exprimé soit sous forme de rapport, soit en valeur décimale soit en pourcentage.

La loi de proportionnalité est la loi de Hooke Δl / l0 F/ S.nY

avec Δl / l0 (nombre)= allongement relatif du corps

F(N)= force de traction

S(m²)= section initiale du corps

nY(N/m²)= module d’élasticité longitudinale (module de Young)

Valeurs d’allongement relatif sous une tension (F / S) de 107 Pascal (~ 1 kgf par mm²)

et données en % >>> caoutchouc (1100)-- laine (2)-- bois (0,05)-- acier (0,005)

2.le CHOC ÉLASTIQUE 

exprime l'état interne de 2 corps choqués (il n'y a pas d'altération, ils restent invariables, non déformés, puisqu'ils sont élastiques.

Le Choc a la dimension d'une impulsion (L.M.T-1)

3.le COEFFICIENT D'ÉLASTICITÉ  ou CONSTANTE d'ELASTICITE

est l'inverse du module d'élasticité (inverse du module de Young) c'est à dire le rapport allongement relatif (Δl/ l0)/ contrainte interne (F/S)

Dimensions  L.M-1.T2    Symbole cé unité Pa-1

C'est une grandeur similaire au coefficient de compressibilité isotherme qui concerne, lui, des questions de volumes au lieu de longueurs comme ici (à T constante)

4.le COEFFICIENT ELASTIQUE

-est différent du ci-dessus coefficient d'élasticité cé 

-est différent de la ci-dessous constante élastique W’d

-est similaire au coefficient de variation de pression isochore b représentant la variation relative de pression (dp / p) par rapport à la variation de température dT, à volume constant

-est totalement similaire à la dilatation linéaire isobare adl représentant l'augmentation relative d'un segment (dl/l0) en fonction de la variation de température dT, à pression constante.En effet, le présent coefficient élastique concerne des allongements dûs à une force mécanique, tandis que pour adl, l'allongement est de cause thermique  

Dimensions  Q-1    Symbole aé       unité K-1

 5.le COEFFICIENT de POISSON 

est un composite de modules. C'est y= (Δll/ ll) / (Δl/ lL)= variation relative de largeur sur variation relative de longueur

Ses valeurs pratiques vont de 0,10 (pour des matériaux peu compacts) à 0,30 (pour des métaux) et même 0,40 (pour les métaux lourds et les plastiques)

6.la CONSTANTE ELASTIQUE

Equation aux dimensions structurelles : M.T-2      Symbole W'd      Unité S.I.+ : kg/s² ou N/m

Le nom de constante élastique est utilisé pour des corps longilignes (tels tiges, poutres...) C'est l’énergie dépensée dans une section

Synonymie pour le cas d'un ressort = dureté ou raideur ou constante de rappel  Synonymie pour le cas de la qualité d'un matériau résistant aux chocs = ténacité et résilience 

Formule classique pour les ressorts    W'd/ DlW’d(N/m)= constante de rappel (ou constante élastique ou dureté) d’un ressort

F(N)= force appliquée au ressort et Dl(m)= son allongement

Attention: la constante élastique est différente de la constante d'élasticité, vue ci-dessus On a constante élastique (W'd) = élongation (lé) /constante d'élasticité c )

 Et la constante élastique est également différente du coefficient élastique, vu ci-dessus

7.la DÉFORMATION ÉLASTIQUE

est une déformation apparaissant dans une zone (scope) où l'étirement est proportionnel à la force appliquée, et qui disparaît après cessation d'application de la force causale (il y a réversibilité de forme)

8.la DILATATION

est une notion utilisée dans le cas d'un allongement dû à la chaleur: c'est l'allongement Dl tel que Dl= l0 (1 + αl.ΔT) où DT(K) = variation de température

αl = coefficient de dilatation, qui, en valeur pratique (exprimée en K-1) vaut pour les solides de 2.10-7 à -5 K-1 

La dilatibilité  est  = (l- l0)/ l0

9.l'ELASTICITE proprement dite

est la contrainte (pression interne) subie par un corps quand une force le sollicite sur l'une de ses faces (ou sections) et ceci pendant que se manifeste le phénomène élastique

L'élasticité est dénommée normale ou latérale ou tangentielle, selon ses éventuelles composantes envers les divers axes de coordonnées

Equation aux dimensions structurelles : L-1.M.T-2     Symbole : pé          Unité S.I.+ : N/m² ou Pa

Les unités pratiques sont :

le kilogramme(-poids) par mm² valant 9,806.106 Pa(ou ≈ 107N/m² ou ~ 10 MPa

le mégaPascal (MPa) valant 106 Pa

le Newton/mm² valant 106 Pa

le kilogramme(-poids ou force) / cm² valant 9,806.104 Pa

le pound per square inch (p.s.i) valant 6,894.103 Pa

le kilogramme(-poids ou force) par m² valant 9,806. Pa

 

L'élasticité , dansles questions de contraintes et résistancesest nommée aussi charge unitaire, ou contrainte de travailou résistance pratique   et quand elle atteint des valeurs remarquables (ou limites), elle est nommée contrainte de sécuritélimite de sécurité, limite recommandée

La formule qui la définit est pé / S

avec pé(Pa)= élasticité d’un corps de section initiale S(m²)

F(N)= force à laquelle est soumis le corps

Voir toutes ces notions au chapitre spécial Résistance mécanique

L'élasticité, quand elle est comparée aux variations géométriques où elle est mesurée est dite alors module. Ce module est définit par   pé F.Δl/ S.ll

avec pé(Pa)= élasticité (module d') pour un corps de section initiale S(m²)

F(N)= force à laquelle est soumis le corps, créant une variation de coordonnée Δll(m)

l(m)= dimension de la coordonnée initiale du corps

10.l'ÉLASTICITÉ LINEIQUE

est la variation de la ci-dessus élasticité envers 1 autre coordonnée géométrique du corpsDimensions structurelles : L-2.M.T-2 (gradient de pression)    Unité: kg/s²-m²

11.l'ÉLASTICITÉ MOLÉCULAIRE

(notion utilisée pour les cristaux) est une élasticité ramenée à une quantité de matière. Equation aux dimensions  : L-1.M.T-2.N-1

Symbole de désignation : j*      Unité S.I.+ : kg/mol-m-s²

j* = nY / q

où nY(N/m²)= module d’élasticité longitudinale et q(mol)= quantité de matière 

12.l'ELONGATION

en mécanique, est la longueur finale (l1) d'un objet qu'on a étiré, allongement inclus

lé = lo + la >>> l'élongation (lé) = la longueur initiale (l0) + l'allongement effectué (la)

on peut dire aussi que c'est le maximum de l'excursion* (*ce terme exprimant un déplacement hors la position de repos)

L'élongation propre est le rapport (lé / lo), rapport entre l'élongation et la longueur initiale

13.l'ELONGATION ANGULAIRE

est l'angle maximal atteint par un point mobile subissant une rotation  .

14.l'ÉNERGIE POTENTIELLE ÉLASTIQUE

est l'énergie mécanique engagée dans un phénomène élastique

Pour un solide longiligne c'est  E = Vnk.(dl / l)

où V(m)= volume du corps

nk(N/m²)= module de compression (valeurs au chapitre modules)

(dl / l)(nombre)est l'allongement relatif

Pour un ressort c'est  E= W'd.Δl² / 2

où Ep(J)= énergie mécanique engageable et Δl(m)= allongement (ou raccourcissement) du ressort et W'd(kg/s²)= constante de rappel (dite aussi raideur, ou dureté du ressort ou constante élastique)

15.l'ETIREMENT 

est un synonyme d'allongement

Un matériau qui est étiré gagne de la longueur, mais perd en général de la largeur. Toutefois certains matériaux dits auxitiques gagnent de la largeur quand ils sont étirés et ils ont un coefficient de Poisson négatif (peaux animales, certains cristaux artificiels...)

16.l'EXCURSION et l'EXTENSION

-l'excursion est une variation de coordonnée par rapport à la position d'équilibre

Donc c'est un quasi synonyme de "allongement"

-l'extension est une excursion positive (accroissement de coordonnée)

-la restriction est une excursion négative (rétrécissement)

--l'élongation est une excursion maximale

17.la FORCE ELASTIQUE -ou la LIAISON ÉLASTIQUE-

sont des termes qui ne veulent pas dire grand chose: il faut comprendre "zone où existe une extension réversible"

18.l'INÉLASTICITE  est le manque d’élasticité (concerne surtout collisions et diffusion)

Voir aussi chapitre chocs (élastiques et inélastiques)

19.la LIMITE d'ALLONGEMENT ÉLASTIQUE

est la valeur maximale de l'allongement relatif, au-delà de laquelle la déformation devient permanente (il n'y aura plus d'élasticité) C'est une notion sans dimension (rapport de longueurs) A ne pas confondre avec la limite d'élasticité (qui est une contrainte).

Ici, il s'agit de la limite de l'allongement relatif (Δl / l0), défini dans laloi de Hooke:

(Δl / l0)= (ne/ nY)    

ne(N/m²)= contrainte (d’extension ou traction) apparaissant dans un matériau de longueur initiale let subissant une variation linéique de  Δl et nY(N/m²)= module de Young

20.la LIMITE D’ÉLASTICITÉ ou LIMITE ELASTIQUE

est la limite atteinte par l'élasticité (contrainte) sous forme de survenance d'une valeur maximale, dite limite de sécurité (ou limite élastique) au-delà de laquelle il ne faut plus  faire travailler le matériau.

Dimensions structurelles : L-1.M.T-2 Symbole de désignation : Re          Unité S.I.+ : N/m² ou Pa

Toutefois, pour des raisons sécuritaires, on applique à cette limite d'élasticité un coefficient minorateur (c'est le taux de travail yp) qui permet de définir une contrainte de travail  ou limite recommandée ou limite de sécurité ou résistance pratique (symbolisé Rt) qui est inférieure à la limite d'élasticité Re  et au-dessous de laquelle on peut travailler avec le matériau en toute sécurité

Les valeurs de Rt , exprimées souvent en mégaPascal (10Pa) vont de quelques unités (métaux tendres, bois, plastiques), puis quelques dizaines (corps durs et métaux usuels), jusqu'à plusieurs centaines (pour les métaux alliés ou hyper rigides)

21.le MODULE d’ÉLASTICITÉ LONGITUDINALE (de Young)

est une contrainte qualitative, autorisant une déformation élastiquepour la  dimension longiligne d'un corps.Synonyme module de Young. Dimension L-1.M.T-2

Ce module est  nY (N/m²)= (F/ So) / (Δl/ l0)

où  F(N)= force créant un allongement Δl(m) sur un corps de longueur initiale l0

Valeurs du module de Young nY en 106 N/m² (cette unité étant identique au N/mm² ou au MPa ou à 106 Pa ou à peu près à 10-1 kg/mm², qui sont d'autres unités souvent utilisées) >>> --tissus vivants(1 à 10)--bois (4.000 à 12.000)--métaux(16.000 à 500.000)--matériaux de construction (15.000 à 22.000)--fibres (20.000 à 500.000)

On utilise parfois un module d'élasticité isostatique, qui vaut nY / 3(1 - 2yP où yP est le coeffficient de Poisson

22.le MODULE d’ÉLASTICITÉ TRANSVERSALE (de Coulomb)

est une contrainte qualitative, autorisant une déformation élastique pour la dimension transverse d'un corps.Cette grandeur concerne un corps prismatique soumis à efforts dans le sens de sa largeur et c'est une contrainte, comparée à sa variation de largeur (ou épaisseur).Elle ne se considère que pour la restriction de section

Equation aux dimensions (contrainte) :L-1.M.T-2   Symbole  : n 

Unité S.I.+ : N/m² Formule  nC= (F/ S0) / (Δl/ l2)

où nC(N/m²)= module d’élasticité transversale d’un corps longiligne

S0(m²)= section initiale du corps

F(N)= force appliquée créant un rétrécissement Δl2(m)

l2(m)= épaisseur (largeur) initiale

Valeurs du module de Coulomb nC entre 0,25 et 0,40 fois le module de Young

23.la PLASTICITE

n'est pas une grandeur.C'est seulement l'état d'un corps qui a abandonné son élasticité, mais conservé encore un peu de malléabilité.

24.la QUASI-ÉLASTICITE

exprime que la zone appréhendée ne respecte plus tout à fait la loi de Hooke, mais n'en est pas très lointaine (cela peut être dû à de l'anisotropie, des parties composites, des adjonctions locales qualitatives....)

25.un SOLIDE ÉLASTIQUE

est un corps présentant une qualité d’élasticité.Il se déforme sous une action mécanique et accumule de l’énergie (potentielle) qu’il rend sous des conditions contraires

Par exemple pour un ressort, qui est un solide élastique, on a  dE{Σn}dV

où dEd(J)= variation d’énergie (pendant déformation) dans une transformation infiniment lente d’un élément de volume dV(m3) appartenant à un solide élastique

Σn(Pa)= ensemble des contraintes créant les variations déformantes de dV

26.la SUPERÉLASTICITÉ

est la caractéristique d'un matériau qui -sous certaines conditions externes- dépasse ses limites standards d'élasticité

Par exemple pour un composite (métal + autre corps à mémoire de forme), -après changement de température- il y a tendance à la superélasticité

Les alliages à mémoire de forme sont superélastiques et superamortisseurs et ils ont de très forts coefficients de dilatation, avec anisotropie.

27.la THERMOÉLASTICITÉ

en thermodynamique, pour étudier les variation réciproques de la géométrie, de la pression et de la température d'un corps dèformable, on utilise des coefficients dits thermoélastiques :

α(exprimé en K-1) est le coefficient de compression volumique isobare (on parle ici d'une variation de volume envers la température, mais à pression constante)

αs(exprimé en K-1) est le coefficient de variation surfacique isobare (on parle de variation de surface envers la température, mais à pression constante)

αl(exprimé en K-1) est le coefficient de dilatation (ou contraction) isobare (on parle de variation de longueur envers la température, mais à pression constante)

bc(exprimé en K-1) est le coefficient de pression isochore (on parle de variation de pression envers la température, mais à volume constant)

βc(exprimé en Pa-1) est le coefficient de température isochore (on parle de variation de température envers la pression, mais à volume constant)

c(exprimé en Pa-1) est le coefficient de compressibilité isotherme (on parle de variation de volume envers la pression, mais à température constante)

Vc(exprimé en m3) est le coefficient de pression isotherme (on parle de variation de pression dans un volume, mais à température constante)

Vt(exprimé en m3) est le coefficient de température isobare (on parle de variation de température dans un volume, mais à pression constante)

28.le TRAVAIL EFFECTUÉ au cours d’une déformation élastique

est  ΔW = V.nn.(Δl / l)

ΔW(J)= travail nécessaire pour déformer le corps élastique (allongement ou compression), V(m3)= volume du solide, nn(N/m²)= contrainte normale et (Δl / l) (nombre)= allongement relatif du corps

En théorie, l'élasticité permet au solide de reprendre sa forme initiale, PHASE pendant laquelle le travail potentialisé est alors restitué (à des poussières près)

29.la VISCOELASTICITE

est utilisée surtout pour les polymères solides

---modèle de Kelvin-Voigt >>> l = (W'.t).(1 - exp-W''.t/h.l)

---modèle de Maxwell >>> l =(n1.t)/B*+ n2.S/W'

où l(m) est la déformation (élongation), n1 et 2(N/m²) les contraintes, W'(N/m) la raideur,

h(pl) la viscosité dynamique,B*(kg/m²-s

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