Larme de verre ("Prince Rupert's drop")

Nommé en anglais "Prince Rupert's Drop", la larme de verre est obtenue à partir de verre fondu qui est plongé dans de l'eau froide. La partie bombée de la larme possède des propriétés mécaniques bien particulières en raison de son mode de refroidissement.

Larme de verre

Larme de verre dont on vient de couper la queue

Concept physique des contraintes résiduelles thermiques :
Lorsque le verre est plongé dans l'eau froide, l'extérieur de la larme est rapidement refroidi par son contact avec l'eau et durcit. La longue et mince queue se refroidit également rapidement et durcit. À ce moment, l'intérieur de la larme est encore très chaud. Tranquillement, l'intérieur va se refroidir. Puisqu'une variation de température génère une diminution de volume :

l'intérieur veut se compresser mais la partie extérieure qui est déjà solidifiée l'empêche. La partie extérieure se faire donc "écraser" vers l'intérieur ce qui tente de diminuer son volume (elle est en compression) et la partie intérieure se fait tirer vers l'extérieur ce qui tente d'augmenter son volume (elle est en tension).

Ces contraintes résiduelles font en sorte que la partie bombée de la larme est très fortement résistante à des impacts, tel que un coup de marteau. Cependant, la queue qui est plus fragile peut être facilement cisaillée ce qui mène à un effondrement des contraintes internes tel une réaction chimique (voir vidéo de Smarter Every Day).

La larme de verre possède des contraintes résiduelles. Puisque le verre laisse passer la lumière, il est facile d'observer l'effet de ces contraintes avec la photoélasticité.

Visualisation des contraintes résiduelles par photoélasticité

Vidéo :
Smarter Every Day :  https://youtu.be/xe-f4gokRBs

Concept physique de la photoélasticité :
Certains matériaux, lorsqu'ils sont soumis à une contrainte, deviennent biréfringents : la lumière est déviée selon deux indices de réfraction. Les indices de réfractions sont directement liés à la grandeur de la contrainte appliquée. La différence entre les indices de réfraction cause une différence de phase entre les ondes, donc une différence de polarisation de la lumière. Avec une lumière polarisée incident et un filtre polariseur à la sortie du matériau, certaines partie seront en addition de phase et d'autres non. L'addition des ondes dépend de la longueur d'onde incidente. C'est pour cela que si on utilise une lumière polychromatique (lumière blanche qui inclut plusieurs longueurs d'onde), il en résultera des franges de couleur et non des franges simplement claires et sombres (si on avait utilisé une lumière monochromatique), La variation des franges nous renseigne sur la variation des contraintes internes.

La direction des frange permet d'identifier la source de l'injection du plastique lors du procédé de fabrication du rapporteur d'angle et de la règle.

On constate les lieux de concentration de contrainte (près du 0 degrés) causé par le petit rayon de courbure du congé.

Références :
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/photoelasticity/index.php
https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelasticity


Sources images :

By Mg3kc at English Wikipedia - Transferred from en.wikipedia to Commons by Basilicofresco using CommonsHelper., Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5555208

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/photoelasticity/anisotropy.php

By Nevit Dilmen - Own Photograph, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3821227

Pression dans un réservoir

Chauffe-eau et une pression trop grande

Sur un chauffe-eau, il y a des dispositifs pour empêcher une surpression dans le réservoir.

- Soupape de sûreté : lorsque la pression est supérieure à une valeur pour laquelle la soupape est calibrée, celle-ci s'ouvre et laisse s'évacuer la pression et coule normalement dans la cuvette située sous le chauffe-eau. Un tuyau relie la cuvette au drain de fondation.

Le tuyau vertical en cuivre est relié à la soupape de sûreté

- Un régulateur de la température qui ajuste la mise en marche des éléments électriques afin de conserver une température spécifiée (au moins 60 degrés C pour éviter les risques de légionellose). Il y a dorénavant un mitigeur thermostatique qui mélange de l'eau froide à l'eau chaude qui sort du chauffe-eau pour diminuer la température maximale à 50 degrés C et éviter des brûlures.

Sans ces dispositifs, il y a risque de surchauffe ce qui peut mener à une surpression.

Trop de pression = trop de force = trop de contraintes dans la paroi = rupture.

Mythbusters :
https://www.youtube.com/watch?v=9bU-I2ZiML0

 Wagon citerne et une pression trop faible

Mythe : des employés ont nettoyé l'intérieur d'un wagon citerne à l'aide de vapeur d'eau puis ils ont scellé toutes les ouvertures. Un peu plus tard, le wagon aurait "implosé" : il s'est écrasé sur lui-même en raison de la trop grande pression externe (ou de la trop petite pression interne!).

Concept physique : lorsque la température de la vapeur diminue pour atteindre un équilibre thermique avec l'air ambiant, sa pression diminue. Si on considère la vapeur d'eau comme étant un gaz parfait :

PV = nRT

Le volume et le nombre de moles sont fixes, donc une diminution de température implique une diminution de la pression.

La pression interne devient inférieure à la pression externe ce qui génère des contrainte dans les parois du réservoir et peut mener à une implosion.

Dans l'extrait de Mythbuster, afin d'assister à une telle implosion, un enfoncement sur la paroi a été créé par la chute d'un bloc de béton de 3200 lbs. Dans le cas du mythe, cette faiblesse aurait pu être causée par un impact sur le réservoir, par de la corrosion, par un défaut dans le matériau, etc.

Observons le résultat lorsque la pression est progressivement diminuée à l'aide d'une pompe à vide.

https://youtu.be/T9bpUfWy8Wg

Résistance des matériaux - Line X

Le Line X est un recouvrement de caisse de camion pulvérisé qui crée un recouvrement protecteur. Ce produit permet de créer une cohésion à la surface du corps qu'il recouvre et l'empêche de se fracasser. En fait, lorsqu'il recouvre complètement un corps, il forme une coquille ayant une grande élasticité. Lorsque l'objet couvert de cette coquille de Line X subit un impact, la coquille se déforme et absorbe de l'énergie lors de sa déformation sans toutefois se rompre.

MythBusters - Explosion de C4 à proximité d'un mur 
https://www.youtube.com/watch?v=3JOXrpCLCJg

How Ridiculous - Chute libre d'un melon d'eau recouvert de Line X
https://www.youtube.com/watch?v=RLpsIuhTb8k

 Sources :
By ArmorThane - PC file, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20400774

Béton - Viaducs de l'autoroute 20

Le prolongement de l'autoroute 20 entre l'Isle-Verte et Trois-Pistole donne un bel exemple du processus de validation de la qualité du béton.

Fissure réparée sur le viaduc à Cacouna

En effet, le Ministère des Transports du Québec (MTQ) a procédé à l'analyse du béton de 4 viaducs construits en béton. Le béton doit avoir satisfaire à des exigences afin, entre autres, d'avoir une longévitié de 75 ans (norme du MTQ). Suite aux résultats des analyses, la construction d'un viaduc a été arrêtée et le "squelette" (tout sauf le tablier) devra être démoli et reconstruit. La "recette" du béton ne permet pas de répondre aux exigences du MTQ.

http://ici.radio-canada.ca/regions/est-quebec/2014/07/14/007-autoroute-20-isle-verte-mtq-viaduc.shtml

Les trois autres viaducs devront être réimperméabilisés : une couche est enlevée en surface et du béton est recoulé.

De plus, le viaduc avant la sortie à Cacouna présente 4 fissures dont une a été réparée. Avec les cycles de gel/dégel, il faut éviter que de l'eau puisse s'infiltrer et causer l'éclatement du béton.

http://ici.radio-canada.ca/regions/est-quebec/2012/10/18/007-fissures-viaduc-isleverte.shtml

Rupture

Wing stress test

This is certainly a catastrophic failure, but it’s an intentional one. What you see above is footage of a Boeing 777 being pushed to the breaking point (literally). The 777 used a new wing design that engineers needed to assess to make sure they could hold up to extreme turbulence. They also wanted to know if the same wings could be used in future planes with greater mass. The wings collapsed at 154 percent of design limit load.

Sidewalk collapse

This GIF comes from security footage captured in China’s Heilongjiang Province earlier this year. As several people are standing on the sidewalk, it just collapses under their feet. It is unclear what caused the hole to open up, but shoddy construction is the most likely culprit. Luckily, no one was seriously injured.

CD disintegration

How fast can a standard CD spin before it fails catastrophically? The answer, apparently, is about 170,000 RPM. That’s what we learn from the above GIF, which is kind of mesmerizing. A CD drive might spin at a maximum of 40,000 or 50,000 RPM.

Hornslet wind turbine failure

The above 600 kW wind turbine met its maker (a Danish engineer, I guess) in 2008 when the brake mechanism that was supposed to slow the blades malfunctioned. The incident took place in Hornslet, Denmark near a farmhouse where the residents were fast enough to capture the event on film. The 45 meter tall turbine was removed and replaced with a new one in just a few months. Those Danes take wind power seriously.

Flexion d'un Iphone

Suggestion de M.-S. B.

http://tvanouvelles.ca/lcn/lebuzz/archives/2015/09/20150927-123817.html

Photoélasticimétrie

Méthode expérimentale qui permet de visualiser les contraintes à l'intérieur d'un matériau biréfringent.

Quelques exemples en images.

« Plastic Protractor Polarized 05375 » par Nevit Dilmen — Mon oeuvre. Sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Plastic_Protractor_Polarized_05375.jpg#/media/File:Plastic_Protractor_Polarized_05375.jpg

« Photoelasticimetry1 ». Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Photoelasticimetry1.JPG#/media/File:Photoelasticimetry1.JPG

"BiodegradablePlasticUtensils2" by Scott Bauer - This image was released by the Agricultural Research Service, the research agency of the United States Department of Agriculture, with the ID k7245-1 (next).This tag does not indicate the copyright status of the attached work. A normal copyright tag is still required. See Commons:Licensing for more information.English | français | македонски | +/−. Licensed under Public Domain via Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:BiodegradablePlasticUtensils2.jpg#/media/File:BiodegradablePlasticUtensils2.jpg