Pourquoi un couteau coupe-t-il ? - 5.0 out of 5 based on 47 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  

+3 #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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+4 #4 Cyril 16-01-2018 06:25
Citation en provenance du commentaire précédent de Waythes :

Peut-on "couper" avec un système basé sur de l'électro-magnétisme ?
A quoi ressemblerait cet outil ?


Bonjour,

En effet c'est possible. En fait la première méthode qui me vient en tête est le découpage laser. Voir ici: fr.wikipedia.org/.../... et aussi la dernière image de l'article ci-dessus. En effet un laser consiste en l'émission d'ondes électromagnétiques (comme la lumière) de grande énergie concentrées sur une petite surface. Cela peut par exemple permettre de faire augmenter la température d'un métal jusqu'à ce qu'il se vaporise et donc de couper une pièce métallique.

Sinon j'ai également trouvé une autre méthode sur internet qui consiste à appliquer un fort champ magnétique sur certaine zone d'une pièce en acier pour la découper ou la déformer. Le champ magnétique peut être généré par de grosse bobines, comme on peut le voir sur cette vidéo:
www.youtube.com/.../
Il y a aussi quelques informations ici: .../iem.pdf

Il existe peut-être d'autres méthodes, mais je n'en ai pas entendu parler (ou alors elles n'existent pas encore ;))
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+4 #3 Waythes 15-01-2018 23:26
Bonjour,

Peut-on "couper" avec un système basé sur de l'électro-magnétisme ?
A quoi ressemblerait cet outil ?

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 ?

Merci pour ton (votre) travail !
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