Pourquoi un couteau coupe-t-il ? - 4.9 out of 5 based on 51 votes

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réponse simple

Réponse simple :

Au niveau microscopique, « couper » un objet revient à rompre les liens qui le maintiennent ensemble1 à 4. Une pomme, par exemple, est formée d’une multitude de molécules liées les unes aux autres par des forces électriques :

 

Une pomme est formée de cellules elles-mêmes composées de molécules et d'atomes
Il y a des milliards de milliards d'atomes au sein d'une pomme10 
(agrandir l'image) (sources : Whiteway et Glab)

Pour couper une fraction de cette pomme, il faut parvenir à briser les liaisons de la matière à l’endroit où nous souhaitons séparer les morceaux.

Or, rompre les liens entre les molécules demande de la force, d’une intensité qui varie grandement selon le matériau à couper7. Bien que trancher un fromage avec le plat de la main soit envisageable, nous employons des outils pour optimiser nos efforts : ils nous permettent de concentrer toute la force appliquée en un endroit précis3 à 5 et 13.

 

La pression est égale à la force sur la surface
Illustration du principe de pression 
(agrandir l'image)

Avec un couteau, le tranchant est si fin que notre force se répercute sur une très petite surface. Cette pression importante va fragiliser les liaisons locales et générer des microfissures au sein du matériau1,3 et 15. Il est ensuite beaucoup plus facile pour le reste de la lame d’élargir ces fissures, afin de séparer les molécules et terminer la coupe de l’objet.

 

Couper un objet fracture la matière à l'échelle microscopique
La pression rompt les liens et génère des microcraquelures 
(agrandir l'image) (sources : 1 et 2 - modifiées)

De nombreux outils reprennent ce principe de pression, c’est le cas par exemple d’une aiguille, ou d’une hache fendant une buche. D’autres ustensiles, comme les scies et les couteaux dentelés, ajoutent des forces latérales à cet effet vertical4 à 6. Les ciseaux infligent pour leur part des forces opposées – dites de « cisaillement » – aux molécules prises entre les deux lames11 et 12.

Tous ces outils gardent cependant le même objectif : maximiser la force au point d’impact et profiter des microfissures ainsi générées.

 

Les ciseaux coupent grâce à des contraintes de cisaillement, qui s'appliquent entre deux forces opposées et décalées
Des forces décalées engendrent un cisaillement qui va déchirer le ruban entre les deux lames 
(agrandir l'image)

Macro de lames de couteaux lisses et dentelées
Gros plan sur des lames de couteau lisses et dentelées. Dans ce cas celle du bas est plus aiguisée 
(agrandir l'image)

La nature du matériau à couper, notamment ses points de faiblesses et le type de liens entre ses molécules, influencent grandement sa résistance à ces contraintes1,à 3 et 7 à 9. Si un simple fil suffit à couper du beurre, seule une lame dentelée permet de rompre une corde. On emploie parfois des jets d’eau et de sable sous haute pression pour couper certains métaux17.

 

Différents outils et lames d'un couteau de poche : ciseau, tire bouchon, poinçon, ouvre-boite
Il existe une grande diversité d'outils propre à chaque matière et situation 
(agrandir l'image)

Hormis la pression, d’autres techniques existent pour séparer un objet, notamment la découpe laser, où les molécules du point d’impact sont chauffées à vif jusqu’à leur vaporisation14.

 

Coupe d'un métal au laser
Un chalumeau aurait le même effet, mais la surface de coupe serait bien plus large 
(agrandir l'image) (source)

 

 

Vous souhaitez davantage de précisions ? Lisez l'onglet "réponse avancée" en début d'article.

 

Cliquez pour voir les sources

Sources internet

Sauf mention, les sites ci-dessous sont en anglais.

(1) http://physics.stackexchange.com/questions/134119/how-does-a-knife-cut-things-at-the-atomic-level

(2) https://www.quora.com/How-do-knives-cut

(3) http://kezako.unisciel.fr/comment-fait-on-pour-couper/ (en français)

(4) https://en.wikipedia.org/wiki/Blade#Physics

(5) https://en.wikipedia.org/wiki/Serrated_blade

(6) Reyssat, E., et al. "Slicing softly with shear.Physical review letters 109.24 (2012): 244301.

(7) https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9sistance_des_mat%C3%A9riaux (en français)

(8) http://www.chemistry.wustl.edu/files/chemistry/imce/Bond%20strength%20vs%20E%20and%20sigmaT.pdf

(9) https://en.wikipedia.org/wiki/Stress%E2%80%93strain_curve

(10) https://fr.wikipedia.org/wiki/Mole_(unit%C3%A9)#Int.C3.A9r.C3.AAt

(11) https://en.wikipedia.org/wiki/Shear_force

(12) https://en.wikipedia.org/wiki/Scissors#Description_and_operation

(13) https://fr.wikipedia.org/wiki/Aiguisage#Caract.C3.A9ristiques_microscopiques_du_fil_d.27une_lame (en français)

(14) https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_cutting#Methods

(15) https://www.chefsteps.com/activities/how-knives-cut

(16) http://circularsawblade.net/kerf

(17) https://en.wikipedia.org/wiki/Water_jet_cutter

(18) https://en.wikipedia.org/wiki/Stress%E2%80%93strain_analysis

(19) https://en.wikipedia.org/wiki/Shear_strength

(20) http://people.virginia.edu/~lz2n/mse209/Chapter15.pdf

(21) https://www.boundless.com/chemistry/textbooks/boundless-chemistry-textbook/nonmetallic-elements-21/carbon-150/allotropes-of-carbon-582-3569/

--> voir ici pour les sources bibliographiques générales

Commentaires  

0 #7 cyril 06-02-2019 09:40
Citation en provenance du commentaire précédent de Huet :
Bonjour,
Avec des camarades, nous réalisons un TPE (travaux pratiques encadrés) avec comme problématique:
"Comment une feuille de papier peut couper notre peau?"
Bonne journée à tous! ;)


Bonjour,

Question intéressante qui m’a demandé un peu de recherche.

Si je récapitule ce que j’ai trouvé, il y a deux aspects qui contribuent à rendre une feuille de papier coupante:

1) La faible surface de contact. Non seulement une feuille est très fine, mais ses bords sont constitués d’une série de pointes microscopiques (voyez cette image 66.media.tumblr.com/b88f3cc9195f4226724f9096d301a86d/tumblr_nyhg5oXDAi1sig0jto2_1280.jpg). Par conséquent, la surface de contact réelle entre la peau et le papier est réduite à ces pointes. C’est le même principe qu’avec une lame de scie, où la pression s’exerce au niveau des dents.
2) Lorsque l’on se coupe le doigt, la feuille fait un mouvement latéral rapide. Ce geste de sciage ajoute des forces de cisaillement sur la peau, ce qui augmente les contraintes de surface de la peau (référez-vous à l’image du niveau avancé ci-dessus). Une feuille ressemble tellement à une scie qu’elle peut être utilisée pour couper du bois ! Voyez cette vidéo : www.youtube.com/.../

Pour ce qui est des calculs, il me paraît trop compliqué de tenir compte de tous ces aspects. Vous pouvez cela dit appliquer la formule de base P=F/S en ignorant les dentelures et le mouvement de sciage.

La résistance de la peau est d’environ 10 à 30 Newton par mm^2. Cela correspond à la pression nécessaire pour la rompre. Si une feuille de 0.1mm d’épaisseur est en contact avec la peau sur environ 5mm de long, on à une surface de contact de 0.5mm^2. Donc la force requise pour percer la peau vaudra 10 Newton, ce qui est relativement élevé (c’est la force pour tenir un l’air une masse de 1kg à la surface de la terre). Dans ce cas la feuille se plierait avant de vous couper.

Mais ces approximations ne reflètent pas la réalité. Il faudrait tenir compte des pointes (qui se cassent sans doute elles-mêmes sous la pression) et du mouvement de sciage. En cherchant un peu, vous pourrez peut-être faire des calculs plus précis, je vous laisse regarder.
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-1 #6 Huet 30-01-2019 11:09
Bonjour,
Avec des camarades, nous réalisons un TPE (travaux pratiques encadrés) avec comme problématique:
"Comment une feuille de papier peut couper notre peau?"

Nous avons un peu de mal à cerner la technique de coupe qui est effectuée par la feuille sur la peau. Nous pensions à une force séparant les molécules de la peau, peut-être influencée par la vitesse, et aussi par quel genre de feuille.
Nous nous demandions si vous saviez quels facteurs rentrent en compte dans la séparation des atomes/molécules de la peau par la feuille?

Et aussi, si vous pouviez nous expliquer comment (si c'est possible pour des élèves de première) déterminer la Force en N qui donne la pression?

Merci d'avance pour le temps pris à essayer de nous aider et de nous répondre, toute proposition est la bienvenue!

Bonne journée à tous! ;)
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+4 #5 Cyril 16-01-2018 10:07
Citation en provenance du commentaire précédent de Waythes :

Pourquoi le bûcheron doit-il autant s'acharner pour que l'arbre ne se coupe ? En clair, pourquoi est il plus dur de couper certain corps que d'autre ?


Le fait que certains corps soient plus durs à couper que d'autre vient de la structure microscopique de ces objets, plus particulièrement des forces qui agissent entre les atomes/molécules.

Couper revient à briser les liaisons chimiques entre les molécules et selon la force de ces liaisons il va falloir fournir plus ou moins d'énergie.
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