La force de traction fait généralement référence à la force exercée sur un objet, tel qu'une corde, une chaîne ou un câble, lorsqu'il est soumis à une force externe qui tente de l'étirer ou de le serrer en tentant de séparer les molécules qui le maintiennent ensemble.
Cette force de tension agit dans la direction opposée à la force appliquée pour maintenir l’objet en équilibre.
L'ampleur de la force de traction dépend du matériau et de la géométrie de l'objet, ainsi que de la force externe appliquée. Lorsqu’il s’agit d’une corde ou d’un câble idéalement inextensible, la force de tension en tout point de sa longueur est la même.
Si, par exemple, vous avez une corde horizontale tenue aux deux extrémités et que vous accrochez un objet au milieu, la force de tension dans la corde sera égale aux deux extrémités et à l'endroit où l'objet est suspendu.
Formule de stress
Dans le cas d'une corde idéalement inextensible, la force de tension (T) peut être calculée à l'aide de la formule suivante :
T = F / cos(θ)
Où:
- T = Force de tension dans la corde.
- F = Force externe appliquée sur la corde.
- θ = Angle entre la corde et la direction de la force extérieure (angle d'inclinaison de la corde).
Cette formule est valable pour des situations idéales, où la corde est inextensible et où il n'y a pas de considérations supplémentaires telles que le frottement ou l'élasticité du matériau.
Dans des situations plus complexes, la détermination de la résistance à la traction peut nécessiter une analyse plus détaillée et la prise en compte d'autres facteurs et lois tels que la loi de Hooke pour les matériaux élastiques.
Exemples de forces de tension
Les forces de tension se retrouvent dans de nombreux contextes de notre vie quotidienne. Voici quelques exemples où vous pouvez observer ces types de forces :
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Cordes et câbles : Lorsque vous tirez sur une corde ou un câble, que ce soit pour soulever un objet, fermer une porte ou remorquer un véhicule, vous appliquez une force de traction sur la corde ou le câble.
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Pont suspendu : Les ponts suspendus utilisent des câbles pour soutenir leur plate-forme. Les câbles sont soumis à des forces de traction qui agissent pour supporter le poids de la plate-forme et des véhicules traversant le pont.
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Le béton renforcé de tiges d'acier est une combinaison ingénieuse qui tire parti de la capacité de l'acier à résister aux contraintes de traction pour compenser la faible résistance à la traction du béton. En revanche, le béton présente une excellente résistance à la compression.
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Ascenseur : Dans un ascenseur, le câble qui soutient la voiture et permet le mouvement de haut en bas est soumis à des forces de traction pour supporter le poids des passagers et de la voiture elle-même.
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Lignes de transport électrique : Les lignes électriques aériennes qui transportent l'énergie électrique des centrales électriques jusqu'aux habitations et aux entreprises sont composées de câbles soumis à des forces de tension pour supporter le poids du câble et des conducteurs électriques.
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Cerfs-volants : Lorsque vous faites voler un cerf-volant, la corde qui le maintient est sous tension, permettant au cerf-volant de rester en l'air.
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Parachutes : Les parachutes utilisés pour la descente contrôlée de personnes ou d'équipements dépendent également de la tension de leurs cordes pour se déployer et rester stables pendant la descente.
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Amarrages de bateaux : Les bateaux à quai utilisent des cordes ou des cordages appelés lignes d'amarrage pour rester attachés au quai, et ces lignes d'amarrage sont soumises à des forces de traction dues aux vagues et aux courants.
Utilisation et applications des forces de tension
La force de tension est présente dans notre vie quotidienne et dans divers domaines de la physique et de l'ingénierie.
Examinons certaines de ses utilisations les plus importantes :
- Stabilité et équilibre : Dans les structures telles que les ponts suspendus, la tension des câbles permet à la plate-forme de rester suspendue et de supporter le poids des véhicules qui traversent. Sans cette force, le pont ne pourrait pas tenir.
- Soulever et tirer : la tension est essentielle lors du levage d’objets, comme dans les ascenseurs. Lorsqu'on appuie sur le bouton pour grimper, la corde se tend et permet la montée. Il est également utilisé dans le remorquage de véhicules, où la corde relie une voiture en difficulté à un autre véhicule.
- Sécurité technique : lors de la conception de bâtiments et de ponts, il est crucial que les matériaux puissent résister aux forces de traction attendues. Cela évite les défaillances structurelles et garantit la sécurité des personnes.
- Sports et loisirs : Dans des activités telles que l’escalade ou le tir à l’arc, la tension des cordes et des arcs est essentielle pour effectuer ces activités de manière sûre et efficace.
- Transmission de force : Dans les systèmes à poulies, la tension des cordes permet de déplacer plus facilement les objets lourds.
- Électricité et communication : Dans les lignes électriques, la tension est nécessaire pour maintenir les câbles en place et assurer la transmission efficace de l’électricité et des données.
- Expériences scientifiques : En recherche, la contrainte est mesurée pour évaluer les propriétés des matériaux et leur résistance.
Mesure de force de traction
La force de traction est mesurée directement en appliquant des appareils ou des instruments de mesure appropriés capables de capturer l'ampleur de la force exercée sur une corde, un câble ou un matériau sous tension.
Il existe différents types d'appareils et de techniques pour mesurer la force de traction, et le choix dépend du contexte et du type d'objet ou de matériau évalué. Certaines méthodes courantes de mesure de la résistance à la traction comprennent :
- Dynamomètres : Les dynamomètres sont des appareils portables qui mesurent les forces de tension et de compression. Ils peuvent être utilisés pour mesurer la force de tension dans des cordes, des câbles ou des éléments sous tension.
- Cellules de pesée : Ce sont des capteurs qui mesurent la force appliquée dans une direction spécifique. Ils sont utilisés dans une grande variété d'applications, telles que le pesage d'objets, la mesure de force dans des machines industrielles ou la tension dans des structures.
- Extensomètres : Ces appareils mesurent la déformation d'un matériau sous contrainte et la convertissent en mesure de la force appliquée. Ils sont couramment utilisés dans les tests de matériaux pour évaluer leurs propriétés mécaniques.
- Machines d'essai : Pour évaluer les propriétés mécaniques des matériaux, des machines d'essai sont utilisées qui appliquent des forces contrôlées et mesurent la réponse du matériau sous tension.
- Essais de charge : Dans la construction et le génie civil, des essais de charge sont effectués sur des structures pour mesurer leur capacité à résister aux forces de traction et de compression.
Différence avec la force de tension superficielle
Ce concept ne doit pas être confondu avec celui de tension superficielle.
La force de tension superficielle fait référence à la force qui agit sur la surface d’un liquide et qui tend à réduire sa surface au minimum possible. C'est une propriété physique due aux forces de cohésion entre les molécules du liquide.
À une surface libre du liquide, comme à l'interface entre le liquide et l'air, les molécules à l'intérieur du liquide sont attirées vers l'intérieur en raison des forces de cohésion, ce qui entraîne une sorte de « peau » à la surface.
La tension superficielle est responsable de certains phénomènes intéressants, comme la formation de gouttes et de bulles sphériques, puisqu'une forme sphérique minimise la surface et minimise donc l'énergie de surface du liquide.