Le terme « Physique des Chocs » n’est pas défini ni dans les dictionnaires classiques ni dans le Wikipédia moderne. Cette expression qui dérive de l’anglicisme « Shock Physics », correspond à une branche particulière de la Physique qui traite du comportement sous impact des matériaux et du comportement des explosifs. Ce dernier domaine est aussi désigné sous le vocable « détonique ».
Où classer la Physique des Chocs ?
La Physique peut se décomposer en plusieurs grandes branches telles que l’optique, la mécanique, l’électromagnétisme, la thermodynamique ou des branches plus récentes telles que la relativité générale ou la mécanique quantique. Toutes ces branches se différencient les unes des autres par les différents comportements de la matière auxquelles elles s’intéressent et ainsi aux différentes lois qui régissent ces comportements. La physique des chocs se classe dans la Mécanique classique dans laquelle les lois qui se traduisent par des équations mathématiques, décrivent la conservation de certaines grandeurs comme la masse, l’énergie et la quantité de mouvement. Ces lois générales de la mécanique ont pour but de décrire le mouvement de la matière sous l’action de forces mécaniques. Plus généralement, le mécanicien répond à la question suivante : comment se déforme un matériau en fonction des forces (ou des contraintes) qui lui sont appliquées ? De manière très générale, la mécanique s’intéresse donc à la déformation des matériaux soumis à des forces.
Impact de bille sur plaque d’aluminium, 8600 m/s.
Les caractéristiques de la physique des chocs
La Physique des chocs s’intéresse à ces mêmes phénomènes, mais avec une différence essentielle qui est le temps d’application de la contrainte (force par unité de surface). Ainsi dans le cas d’un impact (véhicule sur un mur, glaçons sur un cockpit d’avion, balle sur un blindage, débris spatial sur un satellite,…) ou d’un explosif, le matériau est parcouru par des ondes qui transmettent l’information de contrainte imposée sur une portion de ce matériau. Les temps de propagation sont relativement courts, en fonction de la vitesse de propagation des ondes dans ces matériaux. Par exemple dans un acier ou dans un aluminium cette vitesse de propagation (appelée aussi célérité) est de l’ordre de 5 000 m/s, dans une céramique de l’ordre de 10 000 m/s, dans un plastique de l’ordre de 3 000 m/s.
La caractéristique principale de la Physique des Chocs est donc la dynamique des phénomènes rencontrés, c’est-à-dire la vitesse à laquelle est déformée la matière. Les échelles de temps auxquelles l’on s’intéresse sont des microsecondes – (µs = millionièmes de secondes) voire des nanosecondes (ns = milliardièmes de secondes). Sans être grand devin, on peut facilement comprendre qu’un matériau ne va pas réagir de la même manière si il est sollicité en 1 µs ou en plusieurs secondes.
C’est là tout l’objet des études en Physique des Chocs : caractériser le comportement de la matière (déformation, endommagement, fragmentation) en fonction non seulement du niveau de contrainte appliquée mais aussi du temps d’application de cette contrainte.
Détail d’un matériau « nida » après impact.
Des domaines d’application variés
Les principaux domaines d’intérêt de cette branche de la Physique sont :
- Défense & sécurité (impact de balle, explosion)
- Aérospatiale (impact d’oiseaux, de grêlons,…)
- Espace (impact de débris spatiaux, vulnérabilité des aéronefs, des satellites)
- Energie (recherche pétrolière, recherche minière)
- Géophysique (comportement de la terre, impact d’astéroïdes)
- Astrophysique (comportement des planètes, des étoiles)
- Génie des matériaux (création de nouveaux matériaux, transformation de graphite en diamant)
L’intérêt de la simulation numérique
D’un point de vue calcul, la simulation de ces phénomènes rapides s’effectue avec des logiciels spécifiques qui proposent différents algorithmes de résolution. Les choix de ces algorithmes ou schémas numériques sont effectués en fonction de la configuration étudiée. La principale difficulté liée à l’utilisation de ces logiciels réside dans la non-linéarité des comportements rencontrés. Ces non-linéarités aboutissent à des grandes déformations de la matière, phénomènes qui sont en limite de validité des schémas numériques. Les logiciels en physique des chocs ne présentent donc pas encore une fiabilité suffisante pour pouvoir se passer d’essais de validation.
C’est ainsi le couplage fort entre le calcul, la caractérisation du comportement dynamique et l’expérimentation (à laquelle il ne faut pas oublier d’associer la métrologie) qui conduit à une fiabilité suffisante des résultats proposés par le groupe d’experts de THIOT INGENIERIE.
