90 principes mécaniques pour des solutions de conception astucieuses

Ensemble de trois lois physiques formant la base de la mécanique classique. La première loi (inertie) stipule qu'un objet reste au repos ou en mouvement uniforme s'il n'est pas soumis à une force extérieure nette. La deuxième loi quantifie la force en multipliant la masse par l'accélération, soit [latex]\vec{F} = m\vec{a}[/latex]. La troisième loi stipule que pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée.

La contrainte de cisaillement d'un fluide newtonien est directement proportionnelle au taux de déformation par cisaillement. Cette relation linéaire est définie par la loi de Newton sur la viscosité : [latex]\tau = \mu \frac{du}{dy}[/latex], où [latex]\tau[/latex] est la contrainte de cisaillement, [latex]\mu[/latex] est la viscosité dynamique (une constante de proportionnalité), et [latex]\frac{du}{dy}[/latex] est le taux de cisaillement ou le gradient de vitesse.

La mécanique des fluides est la branche de la mécanique appliquée qui étudie la statique (fluides au repos) et la dynamique (fluides en mouvement) des liquides et des gaz. Elle applique les principes fondamentaux de la masse, de la quantité de mouvement et de la conservation de l'énergie pour analyser et prédire le comportement des fluides. Ses applications sont vastes, allant de l'aérodynamique et de l'hydraulique à la météorologie et à l'océanographie.

Voici deux manières de décrire le mouvement en mécanique des milieux continus :

• la spécification lagrangienne suit les particules matérielles individuelles, suivant leurs propriétés au fil du temps, comme si l'on observait une voiture spécifique dans la circulation
• la spécification eulérienne se concentre sur des points fixes dans l'espace, en observant les propriétés (vitesse, densité) de toutes les particules qui passent par ces points, comme une caméra de circulation observant une intersection fixe.

La mécanique des solides est une branche de la mécanique des milieux continus qui étudie le comportement des matériaux solides, notamment leur mouvement et leur déformation sous l'action de forces, de variations de température ou d'autres charges externes. Elle est fondamentale en ingénierie pour la conception et l'analyse des structures. Ses principaux domaines d'étude comprennent l'élasticité (déformation récupérable), la plasticité (déformation permanente) et la mécanique de la rupture (initiation et propagation des fissures).

La force électromotrice ([latex]\mathcal{E}[/latex]) est le travail effectué par unité de charge électrique par une source non électrique, telle qu'une batterie ou un générateur. Malgré son nom, il ne s'agit pas d'une force mécanique mais d'un potentiel électrique, mesuré en volts. Il représente l'énergie convertie d'une autre forme (chimique, mécanique) en énergie électrique lorsqu'une charge traverse la source.

Le courant électrique dans une pile voltaïque est produit par une réaction d'oxydoréduction. À l'anode de zinc, le métal zinc est oxydé, libérant deux électrons par atome ([latex]Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}[/latex]). Ces électrons voyagent à travers le circuit externe jusqu'à la cathode de cuivre. Là, les ions hydrogène de l'électrolyte aqueux sont réduits, formant de l'hydrogène gazeux ([latex]2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow H_2[/latex]).

La loi de Hooke généralisée est l'équation constitutive des matériaux élastiques linéaires, qui stipule que le tenseur des contraintes est linéairement proportionnel au tenseur des déformations. La relation est exprimée sous la forme [latex]\sigma = C : \varepsilon[/latex], où [latex]\sigma[/latex] est le tenseur des contraintes, [latex]\varepsilon[/latex] est le tenseur des déformations et [latex]C[/latex] est le tenseur de rigidité de quatrième ordre contenant les constantes élastiques du matériau.

Cette loi stipule que chaque particule attire toutes les autres particules de l'univers avec une force directement proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance entre leurs centres. La formule est [latex]F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}[/latex], où [latex]G[/latex] est la constante gravitationnelle. Elle unifie la mécanique terrestre et la mécanique céleste.

Le principe de Bernoulli stipule que pour un écoulement inviscide, une augmentation de la vitesse d'un fluide se produit simultanément avec une diminution de la pression ou une diminution de son énergie potentielle. Il s'agit d'un énoncé de la conservation de l'énergie pour un fluide en mouvement, communément exprimé comme [latex]p + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho gh = \text{constant}[/latex] le long d'une ligne de courant.

En mécanique des milieux continus, le principe de conservation de la masse stipule que la masse d'un système fermé doit rester constante dans le temps. Pour un fluide, ce principe est exprimé par l'équation de continuité. Sous sa forme différentielle eulérienne, elle s'écrit [latex]\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0[/latex], où [latex]\rho[/latex] est la densité et [latex]\mathbf{u}[/latex] est le champ de vitesse.

Reformulation de la mécanique classique basée sur le principe de l'action stationnaire. Elle utilise une quantité scalaire appelée Lagrange, définie comme l'énergie cinétique moins l'énergie potentielle ([latex]L = T - V[/latex]). Les équations du mouvement sont dérivées de l'équation d'Euler-Lagrange, [latex]\frac{d}{dt} \left( \frac{\partial L}{\partial \dot{q}_i} \right) - \frac{\partial L}{\partial q_i} = 0[/latex], en utilisant des coordonnées généralisées, ce qui simplifie l'analyse des systèmes complexes avec des contraintes.

La corrosion galvanique est un processus électrochimique au cours duquel un métal se corrode préférentiellement lorsqu'il est en contact électrique avec un autre en présence d'un électrolyte. Ce phénomène est dû au fait que les métaux dissemblables créent un couple bimétallique, le métal le moins noble (le plus actif) jouant le rôle d'anode et se corrodant, tandis que le métal le plus noble joue le rôle de cathode.

Première pile électrique, elle produit un courant continu en empilant des paires de disques métalliques différents (par exemple, en zinc et en cuivre), séparés par un tissu imbibé de saumure. Chaque paire forme une cellule galvanique, et leur empilement en série augmente la tension globale. Cet arrangement a démontré la première conversion continue d'énergie chimique en énergie électrique, ouvrant la voie à l'électrochimie moderne.

La pile voltaïque a établi le principe de l'addition de tensions en connectant des cellules électrochimiques en série. Chaque paire zinc-cuivre, ou cellule, génère une force électromotrice (FEM) caractéristique d'environ 0,76 volt. En empilant physiquement ces cellules, Volta a démontré que la tension totale à travers la pile est la somme des forces électromotrices individuelles de chaque cellule, comme décrit par [latex]V_{total} = n \times V_{cell}[/latex].