Thème : ACTIONS MECANIQUES, ENERGIE, PUISSANCE
activité 6:
TEST DE CHOC, DURETE D’UN MATERIAU,
Objectifs :
- Mesurer la dureté d’un matériau et connaître l’unité de dureté.
- Étudier la chute d’une masse sur un matériau de protection contre les chocs - Déterminer l’énergie absorbée par une surface lors d’un choc
- Analyser les caractéristiques de l’embout d’une chaussure de sécurité 1) DURETE D’UN MATERIAU :
Dureté Shore http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89chelle_de_Shore
L'échelle de dureté Shore mesure la dureté des élastomères, de certaines matières plastiques, des cuirs et des bois.
Cette échelle a été développée dans un but de réaliser des mesures hors laboratoire avec un duromètre Shore portable (par exemple pour mesurer la dureté des pneus de véhicules
.
La mesure est basée sur la déformation d'un ressort en fonction d'un déplacement connu. La qualité du ressort détermine donc la qualité de l'appareil.
Échelles de mesure : il existe en fait douze échelles de mesure Shore. Les plus courantes sont les échelles A et D, reconnues par les normes ISO 868 et 7619, ASTM D 2240 et DIN 53505 :
Shore A (pour les matériaux mous) ;
Shore D (pour les matériaux durs).
Le cadran du duromètre est gradué en degrés SHORE de 0 à 100.
Exemple de mesure : 40 Shore D (ShD)
a) Quelle est l’échelle de mesure du duromètre qui vous est mis à disposition ?
b)
Mesurer la dureté de différents matériaux qui vous sont proposés (utiliser la notice jointe à l’appareil). Vous présenterez vos mesures sous forme de tableau :Description du matériau, dénomination composition dureté
c) Indiquer comment évolue les mesures des matériaux en fonction de leur dureté ou mollesse.
d) Pour les semelles de chaussure : quelles doivent-être les qualités des semelles de sport par rapport aux semelles de chaussure de ville.
2)
SEMELLES A BASE DE CHUTE DE CUIR : (CTC mars 2013)Au cours des étapes successives permettant la transformation de la peau en cuir, environ 2000 tonnes de chutes de cuir liées aux opérations de refendage et de dérayage de wet-blue sont actuellement produites par les tanneries françaises.
CTC s’intéresse à différents moyens de les valoriser, selon trois axes :
- Création d’un matelas fibreux pour isolant thermique, lié à des applications dans le bâtiment - Création d’un isolant acoustique
- Création de composites polymères/cuir pour des applications semelles.
Pour le 3ème moyen de valorisation, deux matériaux habituellement utilisés pour les semelles ont été sélectionnés : le PVC et le SEBS (polystyrène-poly(éthylène-butylène)-polystyrène). Ils appartiennent à la famille des élastomères thermoplastiques (TPE) et présentent des performances physico-mécaniques intermédiaires.
Les dérayures de cuir broyées ont été incorporées à 10%, 20% et 30% et un compound de référence ne contenant aucune charge (ni cuir, ni charge minérale), noté 0% a été également réalisé pour chaque matrice.
Duromètre de chez Metil industrie
EVOLUTION DE LA DURETE ET DES DENSITES EN FONCTION DU TAUX DE CUIR
PVC SEBS
Taux de cuir 0% 10% 16% 20% 0% 10% 20% 30%
Densité 1,17 1,19 1,19 1,21 0,86 0,92 0,94 0,94
Dureté (ShA) 60 72 79 79 43 52 56 69
EVOLUTION DE LA RESISTANCE A LA FLEXION REPETEE EN FONCTION DU TAUX DE CUIR
PVC SEBS
Taux de cuir 0% 10% 16% 20% 0% 10% 20% 30%
Nombre de cycles >100000 >100000 >100000 13100 >100000 >100000 81000 4000 Accroissement de
l’entaille (mm) 3 5 6 >16 2 3 >16 >16
a)
Commenter les mesures des tableaux ci-dessus.b)
Sélectionner le taux de chutes de cuir broyées pouvant être inséré dans chacune des semelles PVC et SEBS.Voici la formule semi-développée du polymère PVC :
c) Écrire l’équation de polymérisation qui a permis de le fabriquer.
d) De quel type de polymérisation s’agit-il ?
e) Pourquoi cherche-t-on à remplacer une partie du PVC par des chutes de cuir dans les semelles contenant du PVC ?
Le SEBS est du polystyrène-poly(éthylène-butylène)-polystyrène.
f) Écrire les 3 formules semi-développées des monomères ayant permis de fabriquer le SEBS.
g) A quelle famille appartient chacun des monomères ? Justifier.
3)
ETUDE DE MATERIAUX ANTI CHOCS :Vous disposez d’une vidéo sur les tests aux chocs de matériaux.
a) Expliquer le protocole expérimental utilisé pour tester le comportement aux chocs de matériaux.
b) Quelle est la composition du matériau blanc carré placé sous le matériau ?
c) Par rapport à une personne qui reçoit un choc, faire correspondre chacun des 3 éléments suivants : personne, matériau « résistant au choc », sol avec : matériau «résistant au choc », carré blanc et sphère métallique d) Compléter le tableau ci-dessous permettant d’analyser les comportements au choc des différents matériaux : CHOC ELASTIQUE :
Un choc entre deux solides est « élastique » si les solides ne se déforment pas et il se produit un rebond sans qu’une partie de l’énergie lors de l’impact soit dissipée. L’énergie cinétique totale des deux solides est conservée : elle garde la même valeur avant le choc et après le choc.
CHOC INELASTIQUE :
Un choc entre deux solides est « inélastique » si une partie de l’énergie cinétique totale des deux solides est convertie en chaleur et dissipée dans l’un ou les deux solides. Il se peut aussi qu’un des deux solides se déforme.
matériaux
Epaisseur du matériau
Hauteur de chute
Hauteur du rebond?
(grande, moyenne,
petite)
Est-ce que le rebond est
amorti ?
Choc élastique ou inélastique ?
Est-ce que le carré blanc est
cassé ?
Matériau adapté à la protection aux
chocs d’une personne ?
“D3O”
“Deflexion S”
CH
2CH
Cl n
“Deflexion TP “
“D3O “
“PORON XRD “
Autre étude de matériaux :
Vous disposez de deux mousses. Réalisez le test de chute sur chacune des mousses et compléter le tableau ci-dessous.
e) La hauteur de chute sera prise à 50cm, utilisez pour cela une règle graduée en métal.
f) Pesez la boule de pétanque et indiquez sa masse M.
g)
On prendra g = 10 N.kg1.h) Vous détaillerez les calculs des différentes énergies ainsi que de la masse volumique et de la densité.
Echantillon et composition
Masse volumique
en kg.m3
Densité d
Hauteur du premier
rebond
Eci Epi Emi Ecf Epf Emf Eabs
Eci : énergie cinétique initiale au moment du lâcher Ecf : énergie cinétique finale en haut du premier rebond Epi : énergie potentielle initiale au moment du lâcher Epf : énergie potentielle finale en haut du premier rebond Emi : énergie mécanique initiale au moment du lâcher Emf : énergie mécanique finale en haut du premier rebond
i)
Citer des applications de chacune des mousses.4)
ETUDE DE CHAUSSURE DE SECURITE :D’après la norme NF EN 12568, une chaussure de sécurité doit résister à une énergie de 200 J lors d’un choc et à une force de compression de 15000 N.
Dans une chaussure de sécurité, on trouve des embouts permettant aux pieds de ne pas être écrasés lors de choc ou compression. Les embouts sont ensuite recouverts de cuir ou de matériaux synthétiques.
Essai de compression :
Une force de 15000 N est appliquée sur l’embout
embout embout
Essai de choc : Un percuteur en acier d’une masse de 20 kg, conçu pour tomber librement d’une hauteur prédéterminée, le long de guides verticaux.
L’embout est frappé avec une énergie de 200 J.
Percuteur de 20kg
Voici des exemples d’embouts contenus dans les chaussures de sécurité : http://www.lemaitre-securite.com
a)
A quelle masse M (en tonnes ) de compression correspond la force de 15000 N ?Pour le test de choc, l’origine des hauteurs (H = 0 m) sera pris sur la surface supérieure de l’embout.
En vous aidant de la démarche du 3) et sachant que l’énergie cinétique du percuteur sur l’embout est Ec = 200 J, déterminer :
b) La hauteur H à laquelle a été lâché le percuteur.
c) La vitesse V au moment de l’impact sur l’embout.
Voici des résultats de mesure de déformation suite au test de choc sur différents embouts : Embout A en acier Embout B en
polycarbonate Embout C en aluminium Ecrasement maximal
mesuré en mm 7 mm 5 mm 15 mm
Masse volumique en
kg.m3 7800 1200 2700
Conductivité thermique
en W.m1.K1 50,2 0,2 220
Température de fusion
en °C 1500 140 660
d)
D’après les valeurs d’écrasement, quel(s) embout(s) répond(ent) aux exigences de sécurité ? Expliquer.e) Quel est l’embout le plus résistant à la chaleur ? Justifier.
f)
Quel est l’embout qui transfert le mieux la chaleur ? Justifier. Quelle peuvent en être les conséquences sur le pied de la personne ?g) Quel est l’embout le plus léger ? Justifier.
h) Quel embout est le meilleur conducteur de l’électricité ? Justifier ? D’après toutes ces analyses, quel embout choisisseriez-vous pour :
i) Des chaussures de sécurité pour électricien ? Justifier.
