Baccalauréat - Exemple de sujet traité pour l'épreuve du Grand oral en physique et en sciences de l'ingénieur : les mécanismes physiques des velcros (ou scratchs) dans l'ingénierie .
Tout d’abord, que sont les scratchs ? Les scratchs, ou les velcros, sont des fermetures autoagrippantes qui sont très utilisées de nos jours. Ce sont des fermetures en effet très pratiques, car elles s’attachent et se détachent facilement, sans colle ni substance collante, et donc sans laisser de traces, et d’un seul geste. Ses vertus sont multiples pas seulement pour les utilisateurs, mais aussi pour les ingénieurs. Par conséquent, les scratchs sont très utilisés et très présents sur les objets industriels qui sont autour de nous : que ça soit sur nos vêtements, nos accessoires que nous utilisons ou portons au quotidien ou encore au sein de notre habitation.
Cependant, autour d’un objet aussi simple gravite un fonctionnement mobilisant plusieurs aspects de la physique dont les connaissances sont nécessaires aux ingénieurs pour le concevoir, et utiles pour l’exploiter. Ainsi, nous allons donc nous demander : quel est le fonctionnement physique des scratchs, et comment et pourquoi ces connaissances poussent autant les ingénieurs à les utiliser ?
Fonctionnement physique des scratchs et sa compréhension pour les concevoir
Fonctionnement physique
Tout d’abord, expliquons, avec des concepts physiques, pourquoi le scratch, ou le velcro, colle. Celui-ci se compose de deux parties : l’une recouverte de crochets, et l’autre, de boucles. Obéissant à la loi physique de la pression, la première pénètre dans la deuxième et s’y attache, créant ainsi des liaisons mécaniques. Les deux ne se détachent plus sans qu’une énergie mécanique ne soit appliquée, car une fois pénétré dans la boucle, le crochet nécessite d’être déformé (de manière réversible, certes) pour être retiré. Leur grand nombre garantit cette liaison.
Car en effet, ce sont les forces qui sont responsables du mouvement ou du non-mouvement d’un corps. Et comme nous le savons également, d’après la loi de frottement, deux surfaces adhèrent l’une à l’autre si la force tangente, la force de frottement (ici, le poids à supporter) est inférieure à la somme de tous les composants des deux surfaces, qui constituent la force normale, celle qui est perpendiculaire aux deux surfaces ; sinon, il y a glissement. Or, comme les boucles et les crochets sont très nombreux, ils peuvent supporter une force conséquente avant qu’il y ait glissement.
Ce rapport peut être modélisé avec la formule Ff = µFn, où Ff correspond à la force de frottement, Fn à la force tangente et µ le coefficient de frottement statique, à savoir la valeur maximale de frottement avant que le glissement commence ; autrement dit, tant que les deux surfaces restent statiques et accrochées l’une à l’autre, ce que l’on appelle en physique l’adhérence, à savoir lorsque deux objets ne glissent pas malgré la présence d’une force tangentielle. On détermine donc la force de frottement en multipliant la force tangente par cette valeur µ.
Lorsque le glissement commence, autrement dit, lorsque les deux surfaces restent accrochées mais pas immobiles, avant de se décrocher, et donc, que la force de frottement (ou la force normale) devient logiquement plus faible, le coefficient de frottement statique est remplacé dans la formule par le coefficient de frottement dynamique, ce dernier représentant le ratio entre les forces normale et de frottement.
Et c’est un mécanisme physique qui, comme nous allons désormais le voir, était présent dans la nature avant d’être introduit dans l’ingénierie !
Un ingénieur inspiré de la physique d’une plante pour concevoir le premier scratch
C’est d'un fonctionnement physique qui a été constaté dans la nature qu’un ingénieur s’est inspiré pour concevoir le scratch. En l’occurrence, il caractérise la physique du fruit de la plante de la bardane, dont les très nombreuses épines s’accrochent non seulement aux graines de la plante, mais aussi aux autres surfaces comportant un grand nombre de boucles, comme les fourrures des animaux. C’est après ce constat, initialement assez hasardeux, que l’ingénieur George de Mestral a eu l’idée d’observer la plante au microscope afin d’en comprendre la physique, et a ensuite adapté ce mécanisme qu’il avait ainsi découvert à sa future invention qu’a été ce qu’on appelle aujourd’hui le scratch.
Voici comment un ingénieur a conçu cet outil, qui est aujourd’hui tant utilisé. Mais voyons dès à présent comment et pourquoi les ingénieurs l’utilisent pour leurs autres conceptions.
Avantages de l’utilisation des scratchs en ingénierie
Poids très important supporté par un scratch très compact
Tout d’abord, le scratch est un outil assez avantageux pour les ingénieurs en raison du poids qu’il peut supporter, tout en ne se posant que sur une surface assez restreinte. Ainsi, à condition d’avoir une conception solide, un carré de 5 centimètres de côté peut supporter un poids allant jusqu’à 80 kilogrammes et sans pour autant nécessiter une installation complexe. Comme nous l’avons vu précédemment, un certain nombre de couples boucle/crochet le permet, et du fait de leur aspect très fin, il est possible d’en placer un nombre conséquent sur une petite surface afin d’empêcher le phénomène du glissement. C’est donc leur nombre qui déterminera le poids supporté. Ainsi, les scratchs sont utilisés par les ingénieurs dans la conception de pièces pour véhicules, navettes spatiales, etc. ; faites justement de matériaux lourds la plupart du temps, mais que les ingénieurs ont justement besoin de fixer sur des surfaces de manière la moins encombrante possible, pour garder de la place pour pouvoir ensuite placer toutes les composantes assurant le fonctionnement de l’agrégat final.
Peu d’entretien et pas de matières premières nécessaires
Comme évoqué, le scratch ne nécessite pas de matière adhésive comme la colle, dont une certaine quantité est détruite à chaque collage. Ce qui n’est pas le cas des crochets et des boucles composant les scratchs, dont le nombre ne se réduit que peu ou pas du tout, pas plus que leur état ne se dégrade. Ainsi, de plus, la nécessité de l’entretien est elle aussi limitée.
Ces connaissances physiques permettent donc aux ingénieurs de faire recours au scratch pour concevoir plus efficacement et en mobilisant moins de temps et de ressources.
Conclusion
En conclusion, nous pouvons donc dire que le fonctionnement du scratch obéit aux lois physiques des forces et du frottement, en créant une adhésion mécanique entre les deux surfaces qui ne peut être défaite que par une nouvelle énergie mécanique. C’est la compréhension de ce mécanisme physique, déjà présent dans la nature, qui a permis à un ingénieur de concevoir le scratch. Mais c’est aussi cette même compréhension qui fait que les ingénieurs y ont autant recours aujourd’hui, car les avantages physiques en sont nombreux : masse importante supportée par une petite surface de scratch, ressource qui ne s’estompe que très lentement et sans qu’une intervention humaine soit nécessaire pour la préserver… et cela fait partie des raisons pour lesquelles les scratchs sont autant présents y compris sur les fabrications que nous voyons et utilisons aujourd’hui au quotidien.
Sources bibliographiques
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