Nos experiences de TPE

Au cours de nos recherches, nous nous sommes demandé quels objets sont en caoutchouc naturel et lesquels sont en caoutchouc synthétique. Nous avons découvert que les élastiques que l'on trouve dans les accessoires de bureautique et dans les magasins d'art sont constitués de caoutchouc naturel; alors que les joints utilisés en plomberie ou en mécanique sont composés de caoutchouc synthétique.

L' experience de la limite de l'élasticité

Cette experience consiste à observer lorsque l'on exerce une force sur un élastique en caoutchouc naturel et sur un joint torique en caoutchouc synthétique, lequel de ces deux objets casse en premier. Pour cela nous avons imaginé cette experience.

Principe de l'experience : Accrocher un récipient à une potence avec nos élastiques et remplir progressivement le récipient d'eau jusqu'à ce que l'élastique se rompe.

Hypothèse : Nous supposions que l'élastique allait supporter une masse d'eau superieure au joint car il s'étirerait d'avantage avant de casser, alors que le joint s'étirerait peu et céderait plus vite.

Materiel que nous avons utilisé :

 - un élastique en caoutchouc naturel de dimension 120 X 2 X 1 mm

 - un joint torique en caoutchouc synthétique de forme cylindrique de dimension 45 X 2 mm (n°12)

 - un seau de 7 L et de masse 0.258 kg, utilisé pour l'experience avec l'élastique

 - un seau de 11 L et de masse 2.155 Kg, utilisé pour l'experience avec le joint torique car le seau précédent s'est révélé trop peu volumineux

 - une potence ( sur les photos, il s'agit de l'anneau accroché à un portique)

 - deux mousquetons

Température extérieure : 4°C

Photos :

Résultats :

Elastique (caoutchouc naturel)

 


Allongement (en cm)
Volume d'eau versé (en L)
0 13
0,5 65
1 73
1,5 79
2 84
2,5 88
3 rupture

 

Joint torique

 


          Allongement (en cm)
Volume d'eau versé (en L)
0 4,5
0,5 4,5
1 4,5
1,5 4,6
2 4,6
2,5 4,6
3 4,6
3,5 4,6
4 4,7
4,5 4,7
5 4,7
5,5 4,7
6 4,8
6,5 4,8
7 4,8
7,5 4,9
8 4,9
8,5 5
9 5
9,5 5
10                               Rupture

 Exploitation des résultats

Pour déterminer lequel des deux caoutchouc possède la limite d'élasticité la plus élevée, il nous faut d' abord calculer la contraint maximale que peuvent supporter les objets utilisés durant l'experience

On sait que la surface Sn de l'élastique vaut 1,44 cm² et celle Ss du joint torique vaut 0,45 cm². On sait la masse du seau utilidé avec l'élastique est Ms1=0;258 kg; et celle du seau utilisé avec le joint torique est Ms2=2,155 kg. 

On pose g=8,8 N/kg

On appelle Mmax1 la masse maximale d'eau supportée par l'élastique avec Mmax1=3 kg, et Mmax2 ma masse maximale d'eau supportée par le joint torique Mmax2=10 kg

Soit Cn la contrainte supportée par l'élastique et Cs celle supportée par le joint torique

Cn=[(Ms1+Mmax1)*g]/Sn                             Cs=[(Ms2+Mmax2)*g]/Ss

Cn=[(0,258+3)*9,8]/0.000144                      Cs=[(2,155+10)*9,8]/0,000045

Cn= 228060 N/m²                                        Cs= 26470889 N/m²

On obtient un rapport d'environ 120 contre 1 en faveur du caoutchouc synthétique, mais pour des objets dont les dimensions ne sont pas les mêmes.

On va maintenant utiliser une relation de proportionnalité pour comparer des objets fabriqués à partir des deux types de caoutchouc possédant la même surface.Il s'agit d'un calcul arbitraire afin de donner un ordre d'idée , mais qui n'asurement aucun rapport avec la réalité. Si l' on détermine une surface commune de 1 cm², on obtient une contrainte maximale de 158375 N/m² pour le caoutchouc naturel, et de 5,88*10 puissance 7 pour le caoutchouc synthétique. Le caoutchouc synthétique est donc en théorie 370 fois plus résistant que le caoutchouc naturel. Notre hypothèse est réfutée.

L' experience du coefficient de raideur

Si vous ne savez pas ce qu'est le coefficient de raideur d'un objet, réferez-vous à la partie "Les facteurs de l'élasticité"

Principe de l'expérience: elle consiste à accrocher divers objets en caoutchouc à une potence et à suspendre des poids de plus en plus lourd à cet objet. On mesure l'allongement relatif du corps à chaque fois que l' on rajoute des poids.

Hypothèse: Nous pensions que le caoutchouc naturel possède un coefficient de raideur moins important que celui du caoutchouc synthétique car il s'étire plus facilement que ce dernier pour une force exercée équivalente.

Materiel que nous avons utilisé:

 - des élastiques en caoutchouc naturel de dimension 120 X 2 X 1 mm

 - des élastiques en caoutchouc naturel de dimension 120 X 10 X 1 mm

 - des joints torique en caoutchouc synthétique de forme cylindrique de dimension 45 X 2 mm (n°12)

 - des joints classiques en caoutchouc synthétique

Température exterieure: 20°C

Résultats: Après avoir réalisé l'expérience, nous avons tracé les courbes de la force nécessaire exercée sur l'objet en fonction de l'allongement relatif de cet objet. Elle représentent l'évolution du coefficient de raideur du corps.

  • élastiques en caoutchouc naturel de dimension 120 X 2 X 1 mm

safe tool.pdf

  • élastiques en caoutchouc naturel de dimension 120 X 10 X 1 mm
  • joints torique en caoutchouc synthétique de forme cylindrique de dimension 45 X 2 mm (n°12)
  • joints classiques en caoutchouc synthétique

joints et gros élastique.pdf

Interprétation des résultats

Pour les premiers élastiques, on remarque que la courbe représentant la force nécessaire exercée en fonction de l'allongement relatif peut être diviséeen trois phases. La première se situe de 0 à 2 cm d'allongement relatif et est représenté par une droite croissante: la force nécessaire pour étirer l' objet augmente avec son allongement relatif. Lors de la deuxième phase, on remarque toujours une augmentation linéaire de cette valeur, mais elle est légèrement moins importante. La troisième phase représente une nouvelle diminution dans cette augmentation.

On peut en conclure que pour cet élastique, plus son allongement relatif est important, plus la force nécessaire pour obtenir ct allongement diminue. On arriverait théoriquement à une courbe plate, mais l'élastique se rompt avant.

 

Pour ce qui est des joints et de l'autre élastique, les courbes de la force nécessaire exercée en fonction de l'allongement relatif sont des droites. On peut alors parler de corps qui sont des "ressorts parfaits". Encore une fois, ce sont des théories car pour les joints, si l'on voulait obtenir un allongement superieur, la force nécessaire augmenterait de plus en plus de manière exponentielle. Cela n'est pas possible dans la réalité car les joints casseraient.

Par comparaison des courbes, on peut dire que le caoutchouc synthétique possède un coefficient de raideur superieur à celui du caoutchouc naturel. En effet, alors que les surfaces des joints sont inferieures à celle du premier élastique, la force nécessaire pour leur faire subir la même déformation est bien superieure pour les joints que pour l'élastique. Notre hypothèse est donc validée

L'élastique de dimension superieure pose un problème car bien qu'il soit en caoutchouc naturel, sa courbe est la même que celles des joints en caoutchouc synthétique. Mais on peut tout de même dire que son coefficient de raideur est inferieur car lorsque l'on exerce la même force sur les deux types d'objets, l'élastique subi un allongement superieur à celui des joints (pour une force de 12.74 N, l'élastique s'allonge de 37 mm alors que les joints s'allongent de 9 mm).

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