Qu'est-ce qu'une charge de cisaillement?
Une charge de cisaillement est une force qui provoque une contrainte de cisaillement lorsqu'elle est appliquée à un élément structurel. La contrainte de cisaillement, qui est une force par unité de surface, se produit dans le plan perpendiculaire à la contrainte normale; il est créé lorsque deux plans d'un même objet tentent de se glisser l'un vers l'autre. Les ingénieurs doivent calculer la charge de cisaillement sur les structures pour s'assurer qu'elles ne subissent pas de défaillance mécanique. Une charge de cisaillement trop élevée peut provoquer un renversement ou une déformation permanente des matériaux.
Les contraintes normales se produisent lorsqu'un matériau est mis en tension ou en compression. Dans ce cas, les deux forces appliquées sont sur le même axe. Si les forces sont appliquées le long de différents axes, des contraintes de cisaillement s'ajouteront aux contraintes normales. Un élément carré du matériau subira des forces qui tendent à le déformer en un parallélogramme. La contrainte de cisaillement moyenne dans un matériau est égale à la charge de cisaillement divisée par la surface de la section en question.
Tandis que la contrainte de cisaillement est une force par unité de surface, la charge de cisaillement se réfère généralement uniquement à la force elle-même. Par conséquent, les unités appropriées sont la force des unités, le plus souvent des newtons ou des livres. Lorsqu'une charge de cisaillement est appliquée à un matériau contraint, une force de réaction est responsable du maintien du matériau à l'arrêt. Cette force de réaction constitue la "seconde" force appliquée; lorsqu'elle est combinée à une force de réaction, une seule force peut engendrer des contraintes de cisaillement.
La charge de cisaillement est importante dans le calcul des contraintes dans une poutre. L'équation de poutre d'Euler-Bernoulli relie la charge de cisaillement au mouvement de flexion dans une poutre. Un moment de flexion est le couple de torsion qui fait dévier une poutre. La charge de cisaillement maximale admissible sur une poutre est liée à la fois au matériau et à la géométrie de la poutre - des poutres plus épaisses constituées de matériaux plus résistants peuvent supporter des charges de cisaillement plus élevées.
Lorsque des forces rendent les contraintes internes trop élevées, le matériau cède. Le rendement modifie en permanence la forme et la taille détendues d'un matériau, comme cela se produit lorsque le matériau est exempt de forces externes. Un trombone peut facilement être amené manuellement à la limite d'écoulement. Le rendement non seulement déforme la géométrie d'un matériau, mais peut également le rendre plus susceptible à la rupture. La gestion de ce risque est d’une importance cruciale pour les ingénieurs civils et mécaniciens.
Il est plus facile de décider quels matériaux sont les plus résistants, ou ceux qui ont les rendements les plus élevés, par l'expérience plutôt que par l'analyse théorique. Il est de notoriété publique, par exemple, que l'acier peut tolérer plus de contraintes internes que l'aluminium. L'explication de pourquoi c'est le cas fait l'objet de plusieurs théories concurrentes. Certaines de ces théories soulignent que la contrainte de cisaillement est fondamentale pour expliquer quand les matériaux vont céder.