Tutoriel : Quelles sont les différences entre la force, le couple, la pression et le vide ?

La plupart des étudiants en génie de l’université de deuxième année peuvent facilement expliquer les différences entre la force, le couple et la pression. La raison de leurs réponses confiantes est que les écoles d’ingénieurs exigent généralement un semestre d’études sur les forces statiques et dynamiques d’ici la deuxième année d’un étudiant. Cependant, à partir de ce moment, les études ultérieures dans ces domaines se limitent généralement aux disciplines de l’aérospatiale, du génie civil et mécanique. Peu d’ingénieurs en électronique ont besoin ou suivront des cours avancés de mécanique de force.

Mais les progrès modernes dans les propriétés des matériaux et la miniaturisation des dispositifs comme dans les systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) et les capteurs signifient que la force, le couple et la pression sont pertinents dans toutes les disciplines majeures. Un examen technique rapide aidera à rappeler à chacun ces concepts de base.

Obliger

En termes simples, une force est une poussée ou une traction sur un objet. Une force peut amener un objet avec une masse à modifier sa vitesse, c’est-à-dire à accélérer. Puisqu’une force a à la fois une amplitude et une direction, c’est une quantité vectorielle.

Une unité de force dans les systèmes internationaux (ou SI) d’unités est un newton. Un newton est défini comme l’unité de force qui donnerait à une masse d’un kilogramme une accélération de 1 mètre par seconde, par seconde. En termes d’équation, la force est égale à la masse multipliée par l’accélération (F = ma).

En fait, la deuxième loi du mouvement de Newton définit la force comme le changement de quantité de mouvement au fil du temps, et non comme la masse par une accélération. Mais l’équation de la quantité de mouvement est réduite à F=ma pour les calculs d’ingénierie de base.

Parfois, le mot « charge » est utilisé au lieu de force. Les ingénieurs civils et mécaniciens ont tendance à faire des calculs basés sur la charge dans laquelle un système (par exemple, un pont) résiste à la force de gravité à la fois du poids du pont et des véhicules qui y circulent.

Les lois de Newton ont été appelées la base du vol spatial. Selon la NASA, comprendre comment les voyages dans l’espace sont possibles nécessite une compréhension du concept de masse, de force et d’accélération tel que décrit dans les trois lois du mouvement de Newton. Considérons une fusée spatiale dans laquelle la pression créée par l’explosion contrôlée à l’intérieur des moteurs de la fusée entraîne une force énorme appelée poussée. Le gaz de l’explosion s’échappe par les tuyères du moteur qui propulse la fusée dans la direction opposée (Loi #3), suivant ainsi F=MA (Loi #2) qui soulève la fusée dans l’espace. En supposant que la fusée voyage au-delà de l’atmosphère terrestre, elle continuera à se déplacer dans l’espace même après la disparition du gaz propulseur (loi n° 1).

Couple

Le premier cours universitaire en forces statiques est généralement suivi d’un cours en forces dynamiques dans lequel l’idée de force ou de couple rationnel est introduite. Le couple est la tendance d’une force à faire tourner ou à tordre un objet autour d’un axe, d’un point d’appui ou d’un pivot. C’est l’équivalent en rotation de la force linéaire.

Formellement, le couple (ou le moment de force) est le produit de l’amplitude de la force et de la distance perpendiculaire de la ligne d’action de la force à l’axe de rotation. L’unité SI pour le couple est le newton mètre (N•m).

La dérivation de l’équation du couple se fait souvent d’un point de vue purement force. Mais cela peut aussi être accompli en examinant la quantité de travail nécessaire pour faire pivoter un objet. C’est l’approche que Richard Feynman a utilisée dans l’une de ses conférences sur la rotation en deux dimensions.

« On arrivera à la théorie des couples quantitativement en étudiant les travail fait en faisant tourner un objet, car une très belle façon de définir une force est de dire combien de travail elle fait lorsqu’elle agit à travers un déplacement donné », a expliqué Feynman.

Feynman a pu montrer que, tout comme la force multipliée par la distance correspond au travail, le couple multiplié par l’angle équivaut au travail. Ce point est mis en évidence dans plusieurs exemples avioniques et aéronautiques du Glenn Research Center de la NASA où la NASA conçoit et développe des technologies pour l’aéronautique et l’exploration spatiale. Les concepts de force, de couple et de pression continuent d’exercer leurs influences bien au-delà de l’atmosphère terrestre. Concerne le largage d’un gros satellite comme le Cygnus Cargo Craft de la Station spatiale internationale (ISS). Le satellite est connecté à un grand bras robotique qui le retire de l’ISS avant son lancement dans l’espace. Le bras robotique agit comme un énorme moment de force dans l’espace soumis aux forces, couples et pressions agissant dans l’espace.

Source de l’image : Centre de recherche Glenn de la NASA

Pression

La pression est la force par unité de surface appliquée dans une direction perpendiculaire à la surface d’un objet. Beaucoup d’entre nous connaissent la pression manométrique en mesurant la pression des pneus. La pression manométrique est la pression relative à la pression atmosphérique ou ambiante locale. Cela contraste avec la pression absolue ou la valeur réelle de la pression en tout point. Cela aura plus de sens sous peu.

La pression est la quantité de force agissant par unité de surface. L’unité SI pour la pression est le pascal (Pa), égal à un newton par mètre carré (N/m2). La pression est également mesurée en unités non SI telles que bar et psi.

Dans sa conférence sur la théorie cinétique des gaz, Feynman a introduit le concept de pression en réfléchissant à la force nécessaire pour qu’un piston plongeur contienne un certain volume de gaz à l’intérieur d’une boîte. La quantité de force nécessaire pour maintenir un piston ou un couvercle de la zone A serait une mesure de la force par unité de surface de pression. En d’autres termes, la pression est égale à la force qui doit être appliquée sur un piston, divisée par la surface du piston (P = F/A).

Source de l’image: CalTech – Conférences Feynman

Les applications des technologies de pression existent à la fois sur et hors de la planète. Dans l’espace, cependant, la pression est si faible qu’elle peut presque être considérée comme inexistante. C’est pourquoi les ingénieurs parlent souvent de vide plutôt que de pression dans les applications spatiales. Un vide est une pression inférieure à la pression atmosphérique locale. Elle est définie comme la différence entre la pression atmosphérique locale et le point d’une mesure.

Alors que l’espace a une très faible pression, ce n’est pas un vide parfait. C’est une approximation, un endroit où la pression gazeuse est beaucoup, BEAUCOUP inférieure à la pression atmosphérique de la Terre.

La pression extrêmement basse dans le vide de l’espace est la raison pour laquelle les humains ont besoin de combinaisons spatiales pour fournir un environnement pressurisé. Une combinaison spatiale fournit une pression d’air pour maintenir les fluides dans notre corps à l’état liquide, c’est-à-dire pour empêcher nos fluides corporels de bouillir en raison de la basse pression (via PV = nRT). Comme un pneu, une combinaison spatiale est essentiellement un ballon gonflé qui est limité par un tissu caoutchouté.

Question à la maison : Pourquoi les roues de la navette spatiale n’ont-elles pas éclaté dans l’espace, c’est-à-dire en présence d’un vide ? Cherchez la réponse dans la section commentaires.

En résumé, la force, le couple, la pression et le vide sont des concepts physiques importants qui, grâce aux progrès des sciences des matériaux et des dispositifs MEMS, traversent toutes les disciplines majeures. En outre, ces concepts fondamentaux continuent d’être pertinents dans des applications telles que les systèmes spatiaux parmi beaucoup d’autres.