Mesure de force

Définition de la force

Quelle est la définition de la force ?

Qu’est-ce qu’une force? Même si “FORCE” est un mot qu’on utilise tous les jours, la force est un concept difficile à appréhender. Malgré le fait que les effets de la force soient perceptibles, la force en elle-même est invisible. En effet quand on ouvre une porte, on croque dans une pomme ou encore quand on enfonce un clou dans un mur, la force est à chaque fois appliquée sur ces objets. Les interactions entre les dents et la pomme, la main et la porte puis le marteau et le clou ont pour conséquence : la pomme qui se fend en deux, la porte qui s’ouvre, et le clou qui rentre dans le mur. Les forces sont in fine juste des tractions ou des poussées. On tire la porte pour la fermer et on pousse le marteau contre le clou pour le faire rentrer dans le mur. En résumé, la force consiste en toute interaction entre deux objets capable de changer l’état de repos ou la direction de l’objet soumis à une force quelconque. La mécanique est le domaine de la science qui traite de la force et des effets de celle-ci.

concept de mesure force d'isaac newton

Les lois du mouvement d’Isaac Newton formalisent le concept de Force à la fin du 17eme siècle. Il donne ainsi son nom à l’unité de mesure de la force : le Newton (N). Cette unité est dérivée de l’unité du SI de mesure de la masse : le kilogramme.

Avec P = m.g,

P est le poids qui se mesure en N
m est la masse qui se mesure en kg
g est l’accélération de la pesanteur (9.80665 m/S2)

Comment mesurer une force?

Comme évoqué plus haut, la mécanique est le domaine de la science qui traite de la force. Et dans la science, comme dans beaucoup de domaines industriels, pour contrôler il faut pouvoir mesurer. La mesure de la force peut se faire de différentes manières. En effet plusieurs instruments de mesure de force existent de nos jours. Parmi ces instruments on peut citer : la balance, le capteur de pression, le capteur de force et le dynamomètre.

La balance

Les masses sont souvent utilisées pour étalonner les dynamomètres ou les capteurs de force. Servant à déterminer les masses, les balances peuvent en quelque sorte être utilisées pour mesurer une force. Il faut pour cela calculer le poids d’une masse préalablement mesurer sur une balance. Pour ce faire l’usage de la formule P = m.g est nécessaire. A noter que l’accélération de la pesanteur n’est pas la même partout sur terre. En effet un même objet n’aura pas le même poids à Chartres qu’en haut du mont blanc.

Le capteur de pression

Dans l’article sur les capteurs de pression, il est fait mention de la relation entre la pression et la force. P = F/S, la pression est égale à la force ramenée à une surface. Donc si on connaît la pression (en Pa) et la surface sur laquelle d’appui (en m2), il est simple de calculer le force (en N). Pour rappel, 1 Pa = 1N/m2.

Capteur de force fonctionnement

Il existe plusieurs technologies de capteurs de force. Quelque soit la technologie utilisée pour fabriquer le capteur, le principe de mesure reste souvent le même. Des jauges de déformations sont instrumentées sur un corps d’épreuve qui se déforme sous une contrainte physique. La déformation des jauges étant proportionnelle à la charge appliquée, son signal électrique l’est également. Il suffit donc de mesurer ce signal pour avoir une indication de la force appliquée sur le capteur de force.

Ce principe de mesure se base sur le module de Young, module d’élasticité. On sait que lorsqu’une force sera exercée sur une matière (ici le corps d’épreuve) ce dernier va se déformer. Déformation qui a lieu dans le sens de la traction et de la compression. Cette déformation reste cependant limitée au domaine élastique du matériau. C’est pour cette raison qu’il est déconseillé d’utiliser un capteur de force au delà de sa limite de rupture.

Capteur de force type galette traction compression LT
Capteur de force en traction compression LT

Pont de Wheatstone jauge de contrainte

Nos capteurs de force et de pesage utilisent pour la plupart la technologie piezoresistive. C’est-à-dire que la déformation du corps d’épreuve est captée par des jauges résistives montées en pont de wheatstone. Les contraintes mécaniques se traduiront donc en une variation de résistance électrique. Ce signal est exploitable directement ou alors amplifiable.

pont de wheatstone

Type de capteur de force

En fonction des essais ou des mesures à réaliser, la typologie, la forme du capteur peut changer. Les formes les plus courantes de capteurs de force sont les suivantes : le capteur de force en compression, le capteur de force en S et le capteur de force miniature. Mais encore la cellule de force type galette et l’axe dynamométrique.

Capteur de force en compression
Mesure des forces en compression exclusivement. Il dispose généralement d’un bouton d’appui au centre. Les capacités de ces capteurs peuvent monter à plusieurs Meganewton (10 6).

Capteur de force en S
Mesure des forces en traction et compression. Il dispose généralement de deux taraudages ou filetages pour la fixation. Les capacités de ces capteurs peuvent monter à plusieurs centaines de kN.

Capteur de force type galette
Mesure des forces en traction et compression. Avec des dimensions compactes (bas profil), ces capteurs peuvent monter à plusieurs Meganewton (10 6).

Axes dynamométriques
Quand l’intégration d’un capteur de force dans un système n’est pas simple ou pratique, l’axe dynamométrique s’impose. En effet cet élément de mesure de force ou de pesage s’insert dans une cinématique existante. Il permet de mesurer des forces extrêmement élevées.

Capteur de force miniature
Il en existe qui mesure uniquement des forces en compression. Mais d’autres comme les capteurs de force miniature en T/C mesurent dans les deux sens.

La valeur d’une force se mesure avec un dynamomètre

Il existe deux familles de dynamomètres : les dynamomètres mécaniques et les dynamomètres numériques.

Le dynamomètre mécanique
Le dynamomètre mécanique utilise la raideur d’un ressort pour mesurer la force. Il mesure des forces en traction et compression.

Les dynamomètres numériques
Le dynamomètre est tout simplement un capteur de force avec une électronique de conditionnement et d’affichage des mesures. Ainsi avec un dynamomètre, un essai se réalise tout simplement sans besoin d’un montage sophistiqué. Pour des essais répétitifs ou avec des forces importantes, les dynamomètres s’utilisent avec des bancs d’essais. Des bancs d’essais manuels ou motorisés. Les dynamomètres permettent des mesures des forces en traction et compression.

Dynamomètre de traction
Dynamomètre de traction et compression DFG.

Voila donc ce qu’est la force, avec les principales solutions pour la mesurer.

Il est cependant souvent nécessaire non seulement de mesurer la force mais également de la générer. Pour ce faire des bancs de test en traction et compression existent. Il faut distinguer les bancs manuels des bancs motorisés. Les deux solutions existent en version verticale ou horizontale. Ils permettent de réaliser de multiples essais dans différentes industries : test de pelage à 90°, test des composants électroniques, test d’arrachement de cosses. Ou encore le test des équipements médicaux, le test de seringues, les essais sur les contenants en pharmaceutique. Et pour finir le test des contenants en cosmétique, le test de packaging en agroalimentaire, le test des produits manufacturés.

Machine d'essai mécaniques
Machine d’essai mécaniques L1.

Qu’est-ce qu’une force? Si vous avez une application de mesure de force ou des questions, n’hésitez pas à nous contacter.

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