Compression (physique)

En mécanique , la compression est l'application de forces intérieures équilibrées (« de poussée ») à différents points d'un matériau ou d'une structure , c'est-à-dire des forces sans somme nette ni couple dirigées de manière à réduire sa taille dans une ou plusieurs directions. Elle s'oppose à la tension ou à la traction, l'application de forces extérieures équilibrées (« de traction ») ; et aux forces de cisaillement , dirigées de manière à déplacer les couches du matériau parallèlement les unes aux autres. La résistance à la compression des matériaux et des structures est une considération technique importante.

En compression uniaxiale , les forces sont dirigées dans une seule direction, de sorte qu'elles agissent dans le sens d'une diminution de la longueur de l'objet dans cette direction. Les forces de compression peuvent également être appliquées dans plusieurs directions ; par exemple vers l'intérieur le long des bords d'une plaque ou sur toute la surface latérale d'un cylindre , de manière à réduire sa surface ( compression biaxiale ), ou vers l'intérieur sur toute la surface d'un corps, de manière à réduire son volume .

Techniquement, un matériau est sous un état de compression, en un point spécifique et le long d'une direction spécifique , si la composante normale du vecteur de contrainte sur une surface de direction normale est dirigée à l'opposé de . Si le vecteur de contrainte lui-même est opposé à , on dit que le matériau est sous compression normale ou contrainte de compression pure le long de . Dans un solide , la quantité de compression dépend généralement de la direction , et le matériau peut être sous compression le long de certaines directions mais sous traction le long d'autres. Si le vecteur de contrainte est purement compressif et a la même amplitude pour toutes les directions, on dit que le matériau est sous compression isotrope , compression hydrostatique ou compression volumique . C'est le seul type de compression statique que les liquides et les gaz peuvent supporter. Elle affecte le volume du matériau, tel que quantifié par le module de compression volumétrique et la déformation volumétrique .

Le processus inverse de compression est appelé décompression , dilatation ou expansion , dans lequel l'objet s'agrandit ou augmente de volume.

Dans une onde mécanique , qui est longitudinale , le milieu se déplace dans la direction de l'onde, ce qui entraîne des zones de compression et de raréfaction .

Lorsqu'il est soumis à une compression (ou à tout autre type de contrainte), tout matériau subit une certaine déformation , même imperceptible, qui entraîne un changement des positions relatives moyennes de ses atomes et molécules. La déformation peut être permanente ou s'inverser lorsque les forces de compression disparaissent. Dans ce dernier cas, la déformation donne naissance à des forces de réaction qui s'opposent aux forces de compression et peuvent éventuellement les équilibrer.

Les liquides et les gaz ne peuvent pas supporter une compression uniaxiale ou biaxiale constante, ils se déforment rapidement et de manière permanente et n'exercent aucune force de réaction permanente. Cependant, ils peuvent supporter une compression isotrope et peuvent être comprimés d'autres manières momentanément, par exemple dans une onde sonore .

Tout matériau ordinaire se contracte en volume lorsqu'il est soumis à une compression isotrope, se contracte en section transversale lorsqu'il est soumis à une compression biaxiale uniforme et se contracte en longueur lorsqu'il est soumis à une compression uniaxiale. La déformation peut ne pas être uniforme et peut ne pas être alignée avec les forces de compression. Ce qui se passe dans les directions où il n'y a pas de compression dépend du matériau. La plupart des matériaux se dilatent dans ces directions, mais certains matériaux spéciaux restent inchangés ou même se contractent. En général, la relation entre la contrainte appliquée à un matériau et la déformation qui en résulte est un sujet central de la mécanique des milieux continus .

La compression des solides a de nombreuses implications dans la science des matériaux , la physique et l'ingénierie des structures , car la compression génère des quantités notables de contraintes et de tensions .

En induisant une compression, des propriétés mécaniques telles que la résistance à la compression ou le module d'élasticité peuvent être mesurées.

La gamme des machines de compression s'étend des très petits systèmes de table à ceux d'une capacité de plus de 53 MN.

Les gaz sont souvent stockés et transportés sous forme hautement comprimée , pour gagner de la place. De l'air ou d'autres gaz légèrement comprimés sont également utilisés pour remplir des ballons , des canots pneumatiques et d'autres structures gonflables . Les liquides comprimés sont utilisés dans les équipements hydrauliques et dans la fracturation hydraulique .

Dans les moteurs à combustion interne, le mélange explosif est comprimé avant d'être enflammé ; la compression améliore l'efficacité du moteur. Dans le cycle Otto , par exemple, la deuxième course du piston provoque la compression de la charge qui a été aspirée dans le cylindre par la première course avant.

Le terme s'applique au dispositif par lequel la soupape d'échappement d'une machine à vapeur est fermée, ce qui bloque une partie de la vapeur d'échappement dans le cylindre , avant que la course du piston ne soit complètement terminée. Cette vapeur étant comprimée lorsque la course est terminée, un coussin se forme contre lequel le piston travaille tandis que sa vitesse est rapidement réduite, ce qui réduit les contraintes dans le mécanisme dues à l'inertie des pièces à mouvement alternatif. Cette compression, en outre, évite le choc qui serait autrement causé par l'admission de la vapeur fraîche pour la course de retour.