bilan des forces dans mon cas?

[invitecf14e441]

Bonjour,
dans le cadre de mon TPE (je suis à un niveau de 1ere S), je travaille sur un homme qui peut casser une brique.
Ex:http://www.koreus.com/video/casser-brique-ralenti.html

j'ai besoins de connaitre le bilans des forces au moment ou la brique se casse. Et surtout, quelle est la force que la main exerce sur la brique au moment de l'impact, je me suis laissé dire que c'était une force de traction, est-ce cela? et si oui qu'est-ce qu'un force de traction concrètement. Et si non quelle est cette force ^^

Merci d'avance.
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[citron_21]

Salut,
la force qu'exerce cet homme sur la brique est une force mécanique simple que l'on peut appeler "force de poussée F" si tu veux vraiment lui donner un nom. On ne peut pas parler de traction ici, car la force de la main N'ENTRAINE pas de mouvement de la part de la brique. Une "traction" vient du verbe "tirer", ici on ne peut pas l'appliquer.
Cette force F est une force répartie sur la surface de contact main/brique, que tu pourra considérer comme une droite. Et pour faire plus simple encore, considère que la force exercée par l'homme est la force F appliquée au centre de cette droite de contact homme/main.

Ensuite, il faut que tu modélise la force de cohésion de la brique, qui fait qu'elle soit solide et forme un tout. Cette force de cohésion peut se calculer grâce à la structure atomique de la brique. Tu pourra trouver ça sur internet, dans les caractéristiques physiques de la brique (module d'Young et force de contrainte).

[invitecf14e441]

Merci pour tes précisions, j'avais déjà trouvé le module de Young de ma brique, il vaut 14 000Mpa: donc si je comprends bien, il faut exercer une force de 14 000Mpa pour que la brique casse?? Ca me parait énorme non?

sinon quand tu dis:

Cette force de cohésion peut se calculer grâce à la structure atomique de la brique.

Je comprends pas vraiment ce que tu entends par la.

Merci de ton aide en tout cas ^^

[citron_21]

Non, 14000 MPa ce n'est pas tant que ça (même si ça paraît beaucoup ^^). Je ne sais pas si tu as obtenu cette valeur sur wikipedia, mais quand tu compare avec le module d'Young des métaux ou du diamant, la brique paraît peu rigide à côté.
En fait, le module d'Young a une dimension de Pression (MPa = 10⁶ Pascals). Donc, ce n'est pas trop correct quand tu dis qu'il faut exercer une force de 14000MPa sur la brique pour la casser.

Si tu veux t'imaginer ce que représente une pression de 14000 MPa, la pression atmosphérique est environ de 10⁵ Pa. Donc, la pression de 14000 MPa représente 140000 fois la pression atmosphérique (environ).

Pour ma remarque sur la structure du matériau à l'échelle atomique, je m'explique. Lorsque tu exerce une force sur la brique, tu tend à modifier la distance entre chaque atome de la brique (la structure de la brique va être légèrement déformée). Plus le module d'Young de ton matériau est important, plus ce matériau aura du mal à se déformer sous l'effet d'une contrainte physique, et plus il est dit "rigide".

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitecf14e441]

Ok je commence à comprendre, mais quand tu dis:

Cette force de cohésion peut se calculer grâce à la structure atomique de la brique.

Tu veux dire qu'on peut vraiment la calculer et obtenir une valeur chiffrée? je vois pas quel calcul faire pour cela.

[citron_21]

Pas tout à fait. En fait, les modules d'Young ne sont obtenus que de manière expérimentale. Je me suis mal exprimé pour tout à l'heure je voulais dire que la structure interne selon laquelle les atomes sont organisés va indiquer grossièrement la rigidité du matériau, et on arrivera donc à classer plusieurs matériaux selon leur rigidité. Ceci dit, il n'y a pas que ça, et c'est très approximatif. Mais la structure cristalline du diamant nous montre sa rigidité par rapport au graphite, composé de "couches" d'atomes de carbones pouvant facilement s'effriter.
Mais pour les valeurs précises, elles s'obtiennent par expérience, en exercant une même force de traction de chaque côté du matériau. En mesurant l'allongement relatif de celui-ci, on en déduit le module de Young, grâce à la loi de Hooke. Mais ceci ne sert qu'à calculer le module de Young d'un matériau, dans ton cas, je pense qu'il ne sert à rien (ou presque rien) de rentrer dans ces considérations-là...

[nawellee]

Salut,

Non, 14000 MPa ce n'est pas tant que ça (même si ça paraît beaucoup ^^).

Ah bon!!??
14 000 MPa c'est 14 000 MN/m²
Donc si la main de la homme arrive perpendiculairement à la brique et que la surface de contact est de 25cm² à peu prés ça veux dire qu'il doit exercé une force de 14 000 * 25 = 350 000N !!?
Je suis trés trés surprise, Où est l'erreur??

A+

[citron_21]

A priori, la brique de la video ne devait pas être une "vraie" brique. 140000 est la valeur du module d'Young pour une BRIQUE sur wikipedia, mais rien ne permet de prouver que l'homme casse une telle brique Ou alors, la brique était auparavant fragilisée (fendue ?)...

[nawellee]

Re

ah oui tu as surement as raison citron_21
Et c'est étrange la façon dont la brique se casse, sur la vidéo on a l'impression que le coup casse la brique par le bas et que la fissure remonte vers le haut...
Si on met pause on voit clairement que la brique est fissurée sur le bas mais qu'au milieu elle a rien.
C'est trop bizzard mais il doit bien y avoir une explication qui léve le mystere !

[citron_21]

Pourtant, je pensais que c'était normal que la "brique" se casse à partir du bas si on exerce une force par le haut, les 2 tréteaux sur lesquels la brique est posée (forces de réaction) vont bien faire qu'elle va se casser par le bas, pour tomber plus facilement, non ?

[nawellee]

Ah ouai bien sur, c'est vrai !
C'est tout à fait normal, la main ne fait qu'exercer une force supplementaire elle ne "coupe" pas la brique du haut vers le bas comme le ferais un couteau ^^

[Sebbl]

Salut!

Je ne vais malheureusement pas t'éclairer mais plutôt t'orienter vers une autre approche : (ton raisonnement d'appliquer la formule :
P=F/S fonctionne uniquement en traction et/ou compression).

Or, ce cassage de brique et un problème de flexion : la brique se fléchit sous l'action de l'effort de la main. Tu peux donc calculer l'effort nécessaire à appliquer en milieu de poutre pour que la brique se brise. (Problème de mécanique statique avec le moments fléchissant, moments quadratiques...). En revanche tu obtiendras forcément une valeur d'effort beaucoup plus élevée que la réalité parce qu'il me semble qu'il faudrait plutôt traiter ce problème sous un angle énergétique (la main du bonhomme est en mouvement, c'est donc grâce à sa vitesse et son inertie que la main va accumuler de l'énergie pour faire céder la brique).

Voilà, j'espère que je ne t'ai pas trop embrouillé.

[invitecf14e441]

Merci pour votre aide, pour le fait que la brique se casse d'abord par le bas j'ai la réponse, ça s'appelle le phénomène de Navier, en gros la brique est divisé en deux parties séparées par le milieu horizontale, la partie en haut subit une compression et la partie du bas une élongation, qui conduit à un déchirement qui remonte ensuite le long de la brique.

Sinon j'aurais une autre petite question, comment s'appelle le fait que la brique casse quand elle est sur des tréteaux mais qu'elle ne se cassera pas si posée sur le sol? J'avais entendu parler de théorie des poutres mais je suis pas sur du tout?

[invitecf14e441]

A priori, la brique de la video ne devait pas être une "vraie" brique. 140000 est la valeur du module d'Young pour une BRIQUE sur wikipedia, mais rien ne permet de prouver que l'homme casse une telle brique Ou alors, la brique était auparavant fragilisée (fendue ?)...

non en effet ce n'est pas une vraie brique mais plutôt un parpin ^^
Sinon pour la grande valeur de force que l'homme doit produire, je pense que c'est due au fait que le bras accumule 3fois plus d'énergie cinétique du fait qu'il y a une rotation du coude, une de l'épaule et une du poignée mais j'ai peut être complètement tord! ^^

[Sebbl]

Sinon j'aurais une autre petite question, comment s'appelle le fait que la brique casse quand elle est sur des tréteaux mais qu'elle ne se cassera pas si posée sur le sol? J'avais entendu parler de théorie des poutres mais je suis pas sur du tout?

Le fait que la brique cassera plus facilement lorsqu'elle est sur des tréteaux comparé à un posage sur le sol est lié à la nature de la sollicitation.

Compression :
Dans le cas de la brique posée sur le sol,la force de réaction est directement opposé à l'effort de la main.

Flexion :
Lorsque la brique est posée sur des tréteaux, il y a deux forces de réaction (opposées à celle de la main). Elles seront situées sur chaque tréteaux et leur somme sera égale à la valeur de l'effort de la main. (si la force de la main est appliquée au centre de la brique chaque tréteau restituera un l'effort de la main divisé par 2).


En flexion on utilise bien la théorie des poutres pour calculer les résistances à la rupture, les déformations (flèche)...

[invitecf14e441]

Salut,

Ah bon!!??
14 000 MPa c'est 14 000 MN/m²
Donc si la main de la homme arrive perpendiculairement à la brique et que la surface de contact est de 25cm² à peu prés ça veux dire qu'il doit exercé une force de 14 000 * 25 = 350 000N !!?
Je suis trés trés surprise, Où est l'erreur??

A+

L'erreur est dans ton calcul ^^ 25cm² = 0,25m² donc
14 000 * 0,25 = 3 500N ce qui est déjà plus crédible ^^

[invitecf14e441]

Mais je pense que je fais une erreur moi aussi car je trouve que l'unité du module est le N/mm²
et donc 14 000* 2500= 35 000 000N ??? quelle est l'erreur dans mon calcul?

[nawellee]

Salut,

oui je me suis trompée

L'erreur est dans ton calcul ^^ 25cm² = 0,25m²

Mais toi aussi

25cm²=0.0025 m²
Bref je trouve comme toi 14 000 * 10^6 * 25 * 10^-4
= 35 000 000 Newton

Donc c'est encore pire que ce qu'on croyait!!

non en effet ce n'est pas une vraie brique mais plutôt un parpin

Et le module de Young que tu nous a donné c'est celui d'une brique ou celui d'un parpin?

Mais comme l'a dit Sebbl:

(ton raisonnement d'appliquer la formule :
P=F/S fonctionne uniquement en traction et/ou compression).

Or, ce cassage de brique et un problème de flexion : la brique se fléchit sous l'action de l'effort de la main. Tu peux donc calculer l'effort nécessaire à appliquer en milieu de poutre pour que la brique se brise. (Problème de mécanique statique avec le moments fléchissant, moments quadratiques...). En revanche tu obtiendras forcément une valeur d'effort beaucoup plus élevée que la réalité parce qu'il me semble qu'il faudrait plutôt traiter ce problème sous un angle énergétique (la main du bonhomme est en mouvement, c'est donc grâce à sa vitesse et son inertie que la main va accumuler de l'énergie pour faire céder la brique).

A+

[LPFR]

Bonjour.
Désolé me m'en mêler, mais ici le module qu'il faut chercher ce n'est pas le module de Young, mais la limite élastique de la brique en traction.
Quand vous comprimez une brique ou du ciment, il faut exercer des pressions énormes pour que la brique ou le ciment s'écrabouillent. Par contre, en traction c'est toute une autre chose. Ni le ciment ni la brique ne sont résistants. C'est pour cela que l'on met des tiges en acier pour "armer" le béton et le rendre résistant à la traction.
Regardez la différence de forces qu'il faut exercer pour écrabouiller une bâton de craie en appuyant sur ses extrémités (sans la plier) puis en le pliant.

Donc il faut trouver la limite élastique de la brique (je ne l'ai pas encore trouvée).
Une fois la limite trouvé il faut calculer la force qu'il faut appliquer en haut de la brique pour qu'en bas de celle-ci la limite élastique soit atteinte.
Au revoir.

[LPFR]

Re.
J'ai trouvé un ordre de grandeur. Sans aucune garantie: 2 MPa.
A+

[invite60fdf64e]

Je croit aussi qu'il faut prendre en compte la vitesse d'application de la force...
Il me semble qu'il n'est pas equivalent d'appliquer un force F de maniére progressive ou d'une maniére instantannée... Je me trompe ou pas?

[LPFR]

Je croit aussi qu'il faut prendre en compte la vitesse d'application de la force...
Il me semble qu'il n'est pas equivalent d'appliquer un force F de maniére progressive ou d'une maniére instantannée... Je me trompe ou pas?

Re.
Non. La résistance à la rupture de ce type me matériaux ne dépend pas de la vitesse d'application des efforts. Il n'y a que des matériaux "bizarres" pour lesquels ce type de comportement arrive. Par exemple le mélange maïzena-eau.
A+

[invite60fdf64e]

ok, c'est ce a quoi je pensé justement...
Mais cet effet n'existe vraiment pas (meme si on le neglige generalement) pour tous les matériaux???
C'est bizarre, car je bosse dans le nucléaire et l'on étudie des accidents ou l'enceinte de confinnement en béton est mise sous pression par l'eau contenue dans le circuit primaire et il me semble que deux type d'accident sont a etudier.
Une mise en pression lente et une mise en pression rapide car le comportement du beton n'est pas le meme dans ces deux cas...

[LPFR]

Une mise en pression lente et une mise en pression rapide car le comportement du beton n'est pas le meme dans ces deux cas...

Re.
Il est possible que ce soit une question d'équilibrage des efforts sur la structure.
Il faudrait de Jaunin (notre foriste qui connaît le sujet) nous réponde.
Mais à ma connaissance ni le béton ni le fer ont des caractéristiques qui dépendent du temps.
A+