Département de Mécanique


Des disciplines et des exemples concrets

Comme toute science, la Mécanique se décline en différentes disciplines. Et elle est particulièrement riche. Dresser une liste exhaustive est hors de propos ici, si tant qu’il soit possible de le faire. On se limitera aux principales d’entre elles, à savoir :

Comme on pourra le constater, elles ne sont pas cloisonnées. La présente section s’attache à les présenter succinctement puis à les illustrer par des exemples concrets.

Au fil de sa lecture, le lecteur curieux et attentif se posera assurément la question suivante : comment de telles études sont-elles conduites ? Une section de ce site s’attache à lui répondre en présentant les méthodes sur lesquelles repose la Mécanique.

 La Mécanique des fluides

Les fluides, c’est-à-dire les liquides et les gaz, sont dénués de forme propre et s’écoulent ou occupent tout le volume qui leur est offert. Ainsi durant la phase de vol, on assiste à l’écoulement de l’air autour d’un avion. L’amélioration des performances aérodynamiques de l’appareil nécessite la connaissance de cet écoulement. Il en est de même pour une automobile en mouvement ou un bateau fendant les flots. Il y a également les écoulements dit internes, par exemple les écoulements dans les conduites. Le domaine couvert par la mécanique des fluides est très vaste de par :

  • la nature du fluide : liquides, gaz, fluides polyphasiques (c’est-à-dire composés de plusieurs phases, solide, liquide ou gazeuse), fluides complexes (polymères fondus, pâte à papier, fluides alimentaires, etc.),
  • la gamme des vitesses, allant de quelques millimètres par jour pour de l’eau dans les murs et sols à quelques kilomètres par seconde pour les vols hypersoniques
  • les échelles, allant de quelques dixièmes de millimètres pour les capillaires à plusieurs dizaines de kilomètres en météorologie.

moteur thermique à pistons Exemple 1 - Moteur thermique à pistons

La réduction de la consommation des moteurs, ainsi que celle de la pollution qu’ils engendrent, est un enjeu important dans l’industrie automobile. L’apport de la simulation numérique est particulièrement précieux en ce qu’elle réduit les coûts et les délais. De plus, elle apporte des informations inaccessibles par voie expérimentale. Toutefois, la difficulté réside dans la mise au point de modèles mêlant mécanique des fluides et chimie de la combustion.

 

 écoulement sanguin

Exemple 2 - Biomécanique

La Mécanique des fluides aide à la compréhension de la physiologie vasculaire et respiratoire, ainsi qu’à la conception d’organes artificiels. Les difficultés sont liées à la nature du sang, qui est un fluide complexe, à la déformation constante des veines et des artères, ainsi qu’à la coexistence de différents régimes d’écoulements.


 

 centrale nucléaire
Exemple 3 - Dispersion des panaches issus de tours de refroidissement

Il s’agit de s’assurer que les panaches soient convenablement dispersés, c’est-à-dire avec une interaction minimale avec les structures environnantes, particulièrement avec des conditions de vent critiques. La turbulence qui caractérise ces panaches constitue un grand défi en Mécanique des fluides.

 

 

La Mécanique des structures

Une structure désigne tout ou partie d’un dispositif amené à supporter des efforts et ne devant, par conséquent, subir ni déformation excessive ni encore moins rupture. On pense en premier lieu à un ouvrage du génie civil (pont, bâtiment, barrage, etc.), à une machine (grue de levage, portique portuaire, etc.). Mais il peut s’agir d’une prothèse de hanche ou d’un objet des plus anodins de la vie quotidienne. Et notre avion n’est pas en reste. Il est facile de se convaincre que le train d’atterrissage est soumis à rude épreuve au moment où l’appareil se pose. Durant la phase de vol, des efforts dus à l’air s’exercent sur le fuselage et les ailes.

 

pont

Exemple 1 - Viaduc de Millau

Il va de soi qu’un pont doit résister à son poids propre ainsi qu’à celui des véhicules qui l’empruntent. Mais d’autres éléments doivent être pris en compte, à commencer par les effets du vent. Ceux-ci sont très importants dans le cas du viaduc de Millau, compte-tenu du type (pont à haubans) et de l’implantation de ce dernier. Outre que les forces exercées par un vent fort sont loin d’être négligeables, un vent même modéré peut provoquer l’entrée en résonance du pont, phénomène pouvant avoir des effets désastreux. C’est ce même phénomène qui a entraîné la destruction en 1940 du pont de Tacoma aux Etats-Unis, sans doute le cas le plus marquant du genre. Par ailleurs, il y a également lieu de tenir compte du comportement du pont face à des secousses sismiques.

 fusée

Exemple 2 - Vibrations dans les lanceurs

Les vibrations sont les ennemies des lanceurs. Leurs sources sont multiples. Il y a tout d’abord la propulsion qui met en jeu une puissance phénoménale, comparable à celle d’une centrale nucléaire. Mais il y a également l’écoulement aérodynamique autour du lanceur pouvant provoquer le flottement de la structure. Ce dernier phénomène relève de l’interaction fluide-structure.
 

 crash test 

Exemple 3 - Crash-test

Qui n’a jamais entendu parler des crash-tests de l’industrie automobile ? Le but de cette expérimentation est de connaître le comportement d’une automobile lors d’une collision, le souci étant la sécurité des passagers. Les crash-tests font de plus en appel à la simulation numérique.
 

 

La Mécanique des matériaux

Les efforts exercés sur une structure y induisent des contraintes et y provoquent des déformations qu’il convient de déterminer. Pour ce faire, il faut connaître la manière dont le matériau constitutif de la structure se déforme sous l’effet de ces contraintes, c’est-à-dire sa loi de comportement. C’est particulièrement vrai pour les nouveaux matériaux (composites, superalliages, etc.) dont l’élaboration est également l’objet de la présente discipline. Pour tirer le meilleur parti de leurs capacités, ces derniers sont souvent conçus en même temps que les pièces qu'ils devront constituer. On parle alors de matériaux sur mesure. Il convient de mentionner la fatigue à laquelle sont exposés les matériaux soumis à des chargements cycliques (marche-arrêt d’un moteur, d’une centrale, etc.).

machine d'essai de traction

 

Exemple 1 - Essai de traction

La détermination des lois de comportement des matériaux fait largement appel à l’expérimentation. L’essai de traction est l’un des essais de base. Il consiste à soumettre une éprouvette constituée du matériau à tester à un effort de traction et ce jusqu’à rupture. Une chaîne d’acquisition mesure l’évolution de l’allongement de l’éprouvette et de la force de traction durant l’essai.

 

planche à voileExemple 2 - Matériaux composites

L’utilisation des matériaux composites tend à se généraliser dans l’industrie. A ce titre, le cas du transport aérien est emblématique. Ainsi, les matériaux composites représentent 25% de la masse structurelle (sans moteur, ni équipements) de l’Airbus A380, 50% de celle du Boeing 787 Dreamliner et plus de 50% de celle du futur Airbus A350. Qui plus est, ils interviennent désormais dans les parties vitales des appareils. Il s’ensuit un gain de masse appréciable, donc de consommation. Mais les matériaux composites intéressent également d’autres secteurs. Par exemple, ils entrent dans la fabrication d'une planche à voile.
 

réacteurs d'avion

 

Exemple 3 - Superalliages

Les superalliages sont des alliages de métaux, essentiellement à base de nickel, dotés d’une bonne tenue mécanique à très haute température. Ils servent principalement à la fabrication de composants - disques et aubes - de turbines, notamment dans les moteurs d’avions.

 

 

L’Acoustique

L’acoustique est la science du son. Elle en étudie la production, la transmission, la détection et les effets. Le mot « son » désigne à la fois une sensation auditive et le phénomène physique susceptible de lui donner naissance, à savoir un mouvement ondulatoire mécanique (c’est-à-dire une vibration) et non une onde électromagnétique. L’acoustique est donc une branche de la mécanique. Elle s’étend aux infrasons et aux ultrasons, ainsi qu’aux propagations acoustiques dans d’autres milieux (liquides et solides) que l’air. Son champ d’intérêt est vaste. Ainsi on distingue : l’acoustique médicale (échographie), l’acoustique musicale, l’acoustique de l’environnement, l’acoustique sous-marine, l’acoustique architecturale, le contrôle non-destructif, l’aéroacoustique, etc.
 

habitacle d'une automobileExemple 1 - Acoustique de l’habitacle d’une automobile

Le bruit qui règne dans l'habitacle d'une voiture influe considérablement sur son confort. Pourtant, maîtriser les nuisances sonores dans l'habitacle est un problème extrêmement complexe. En effet, les sources de vibrations, et donc de bruits, sont multiples sur une voiture en mouvement. Le moteur constitue une source importante mais il est loin d'être le seul. Des bruits aérodynamiques, liés à l’action de l'air sur la carrosserie, apparaissent dès que la vitesse s'élève. Les pneus sont aussi à l'origine de vibrations et de bruits de roulement.
 

 

sous-marinExemple 2 - Sondage acoustique

Depuis les premiers sonars, le sondage acoustique, qui met à profit les propriétés de propagation et de diffraction des ondes acoustiques, a connu un essor considérable. Cette discipline concerne principalement trois grands domaines d’application :
- les applications géophysiques : sondage de la terre (sismique réflexion et réfraction), de la mer (sonar et acoustique sous-marine en général), de l’atmosphère (sodar) ;
- les applications médicales : ainsi l’échographie occupe actuellement une place de choix pour le diagnostic ;
- l’analyse, la caractérisation et le contrôle des matériaux (le contrôle non destructif notamment), ainsi que des écoulements industriels.

hélicoptèreExemple 3 – Le bruit des aéronefs

L’aéroacoustique concerne la génération de bruit par les écoulements. Cette discipline est apparue lorsque les avions à réactions commencèrent à remplacer les avions à hélice. Les nuisances associées aux avions n’ont alors cessé de croître du fait de l’augmentation des poussées des réacteurs. Ce sont les montages à double flux qui ont permis de réduire de façon substantielle les niveaux de bruit. Mais dans les aéronefs, les jets ne sont pas les seules sources de bruit d’origine aérodynamique. Sont également en cause les obstacles placés dans les écoulements et toutes les surfaces solides en mouvement (hélices, étages rotor-stator des turbines et des compresseurs, soufflantes, ventilateurs, rotors d’hélicoptères, etc.) qui sont à l’origine des écoulements. Enfin, au bruit propre de l’écoulement évoqué précédemment s’ajoutent le bruit des charges aérodynamiques (portance et traînée) exercées sur les pales et le bruit d’épaisseur dû au déplacement du fluide par les surfaces en mouvement.

La Tribologie ou la Mécanique du contact

La tribologie, dont le sens étymologique est « science du frottement », a pour objet l’étude des phénomènes intervenant dans le contact entre deux corps immobiles ou en mouvement l’un par rapport à l’autre. Elle regroupe tout ce qui a trait au frottement, à l’usure, à la lubrification et à l’adhérence. Elle joue un rôle primordial dans les mécanismes qui sont des assemblages de pièces reliées entre elles par des liaisons mettant en jeu des mouvements relatifs et transmettant des efforts. Il s’agit d’y réduire le frottement qui est synonyme d’usure et de perte d’énergie. A l’inverse, il y a des situations où le frottement doit être aussi important que possible. C’est, par exemple, le cas du contact pneu-piste ou roue-rail, des dispositifs de freinage.
 

disque dur

 Exemple 1 - Disque dur

Les solutions permettant de réduire le frottement passent souvent par l’utilisation de lubrifiants pouvant être liquides (les huiles par exemple), gazeux ou même solides (la poudre de graphite par exemple). Dans un disque dur, un mince film d’air, dont l’épaisseur est de l’ordre de 100 angströms, s’interpose entre la tête de lecture et le plateau magnétique, jouant ainsi le rôle du lubrifiant. L’amélioration des performances du disque dur requiert la maîtrise du mouvement de la tête de lecture, ainsi que l’optimisation de la forme de cette dernière. Pour ce faire, il faut connaître les caractéristiques du film d’air, caractéristiques qui dépendent de la forme de la tête et de la distance séparant les deux composants.

trainExemple 2 - Freinage ferroviaire

Les véhicules ferroviaires sont en général équipés de plusieurs dispositifs de freinage agissant conjointement pour assurer leur ralentissement et leur arrêt. Parmi ces dispositifs figure celui, classique et mécanique, à friction, qui, par nature, dissipe l’énergie cinétique du véhicule sous forme de chaleur. Il doit être en mesure de pallier la défaillance des autres dispositifs. Certaines conditions d’exploitation, associées à l’augmentation des performances, conduisent à des sollicitations sévères engendrant à leur tour des températures élevées au contact entre les pièces en mouvement relatif (disque et garnitures). Le risque est alors important d’une perte d’efficacité et d’une augmentation de l’usure.

moteur de fuséeExemple 3 - Lubrification des turbopompes du moteur Vulcain

Le moteur Vulcain propulsant l’Etage Principal Cryotechnique du lanceur Ariane 5 est équipée de deux turbopompes qui ont pour fonction d’alimenter, l’une en oxygène liquide, l’autre en hydrogène liquide, la chambre de combustion. Ces deux composants fonctionnent dans des conditions très sévères : vibrations importantes, vitesses de rotation très élevées (des dizaines de milliers de tours par minute !) du fait des impératifs de puissance et de légèreté, températures excluant les lubrifiants classiques. Elles utilisent alors l’oxygène ou l’hydrogène liquide comme lubrifiant, c’est-à-dire les fluides qu’elles véhiculent, fluides ayant de faibles propriétés lubrifiantes.