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Sciences de l'ingénieur (spécialité) · Première

Résistance des matériaux : cours de Première SI

Publié le 6 novembre 2026 · Mis à jour le 6 novembre 2026 · Signaler une erreur

L'essentiel

  • La résistance des matériaux (RDM) calcule les contraintes et les déformations d'une structure pour la concevoir en sécurité et à coût acceptable.
  • Un matériau passe par une déformation élastique (réversible), parfois une déformation plastique (résiduelle), puis la rupture.
  • On dimensionne en restant dans le domaine élastique : σ≤Rpe=Re/s\sigma \le R_{pe} = R_e / s, avec ss le coefficient de sécurité.
  • En flexion, les contraintes sont maximales près des fibres supérieure et inférieure, minimales près de la fibre neutre.
  • D'où les profilés (I, H, U, tubes) : de la matière loin de la fibre neutre, peu de matière au centre.

À quoi sert la résistance des matériaux

Un pont, un cadre de vélo, un bras de robot, un arbre de réducteur : tous ces objets subissent des efforts. Une question revient à chaque fois : la pièce va-t-elle tenir, et de combien va-t-elle se déformer ? C'est exactement le rôle de la résistance des matériaux, abrégée RDM.

Dans les chapitres précédents, tu as modélisé des liaisons, étudié l'équilibre des solides (statique), leur mouvement (cinématique) et la transmission de puissance. Jusqu'ici, les solides étaient supposés indéformables. Ici, on lève cette hypothèse : une pièce réelle se déforme, même très peu, et elle peut casser. On cherche à savoir quand.

Le principe de la méthode est élégant. On part du comportement global d'une structure : quel déplacement obtient-on quand on applique des forces ou des moments ? On le ramène au comportement local du matériau : quelle déformation obtient-on pour une contrainte donnée ? 2 Ainsi, une fois qu'on connaît le matériau, on sait prévoir la structure.

Un peu d'histoire

La question n'est pas neuve. En 1638, Galilée publie un ouvrage intitulé Discours concernant deux sciences nouvelles, dans lequel il étudie la résistance des matériaux ainsi que le mouvement des corps. 2 Au XIXe siècle, l'ingénieur allemand August Wöhler mène une longue série d'expériences sur la tenue des pièces métalliques. 2

Ses expériences lui permettent de mettre en évidence un résultat qui compte encore aujourd'hui : quand les charges sont répétées et alternées, la tenue du matériau en est modifiée. 2 Autrement dit, une pièce peut céder sous un effort répété, même si chaque effort pris isolément semble supportable.

Contrainte et déformation : relier deux grandeurs

Pour parler de résistance, il faut des grandeurs précises. La sollicitation désigne ce que la pièce reçoit de l'extérieur : des forces ou des moments. 2 La contrainte et la déformation décrivent ce qui se passe à l'intérieur de la matière : la RDM relie les sollicitations aux déplacements, puis les contraintes aux déformations. 2

Élastique, plastique, rupture : les comportements d'un matériau

Que se passe-t-il quand on charge de plus en plus une pièce ? Le matériau traverse des étapes successives, toujours dans le même ordre.

Les comportements d'un matériauÉtapes successives : déformation élastique, déformation plastique puis rupture.1ÉlastiqueLa pièce reprend sa forme quand l'effort disparaît.2PlastiqueUne déformation résiduelle subsiste après l'effort.3RuptureL'effort dépasse la résistance du matériau.
  1. ÉlastiqueLa pièce reprend sa forme quand l'effort disparaît.
  2. PlastiqueUne déformation résiduelle subsiste après l'effort.
  3. RuptureL'effort dépasse la résistance du matériau.
Les comportements d'un matériau · Ordre d'apparition lorsque la contrainte augmente.

Prends une règle en plastique souple et plie-la légèrement : elle revient droite. Tu étais dans le domaine élastique. Plie-la beaucoup plus, au point qu'elle reste courbée : tu es entré dans le domaine plastique. Si tu continues, elle casse : c'est la rupture.

On appelle limite d'élasticité, notée ReR_e, la frontière entre le domaine élastique et le domaine plastique. Cette notion apparaît dans la suite avec une valeur chiffrée pour l'acier. 3

Le critère de résistance et le coefficient de sécurité

En conception, on utilise la RDM pour dimensionner des structures ou pour valider l'emploi d'un matériel. On se place dans le cas d'une déformation réversible, car une déformation irréversible, plastique ou une rupture, rendrait la pièce inopérante. 2 Il faut donc vérifier que la résistance est suffisante et que la déformation reste admissible. 2

Pour avoir de la marge, on ne compare pas la contrainte à la limite d'élasticité elle-même, mais à une valeur plus petite : la résistance pratique. Elle se calcule avec un coefficient de sécurité ss supérieur à 1.

La flexion d'une poutre

Beaucoup de pièces ne sont pas simplement tirées ou comprimées. Une étagère chargée, un plancher, une poutre de pont, un axe entre deux paliers : elles fléchissent. Pour étudier la résistance en flexion, on réalise des essais mécaniques sur des poutres, selon deux montages : la flexion dite « trois points » et la flexion dite « quatre points ». 3

Dans le cas de la flexion trois points, la poutre repose sur deux appuis et reçoit une charge au milieu. On mesure la flèche et on repère la charge à partir de laquelle le matériau quitte le domaine élastique.

Pense à une règle plate que tu plies : le côté extérieur de la courbure s'étire, le côté intérieur se comprime, et au milieu de l'épaisseur il existe une couche qui ne s'allonge ni ne se raccourcit. C'est la fibre neutre. Les fibres les plus éloignées travaillent le plus.

Pourquoi les poutres ont une forme en I, en H ou en tube

Observe le chantier d'un bâtiment : les poutres métalliques ne sont pas des barres pleines et carrées, mais des profilés en I ou en H. Ce choix découle directement de la répartition des contraintes en flexion.

Méthode complète de vérification

Tu as maintenant tous les éléments pour traiter un problème de dimensionnement simple. Voici la démarche à reproduire, de façon identique, à chaque exercice.

Vérifier la résistance en tractionÉtapes à suivre : calculer la contrainte, calculer la résistance pratique, comparer, conclure.1ContrainteCalculer σ = F / S avec N et mm².2Résistance pratiqueCalculer Rpe = Re / s.3ComparerTester si σ est inférieure ou égale à Rpe.4ConclureÉcrire si la pièce résiste, en une phrase.
  1. ContrainteCalculer σ = F / S avec N et mm².
  2. Résistance pratiqueCalculer Rpe = Re / s.
  3. ComparerTester si σ est inférieure ou égale à Rpe.
  4. ConclureÉcrire si la pièce résiste, en une phrase.
Vérifier la résistance en traction · Démarche à suivre pour chaque exercice de dimensionnement.

Exercices corrigés

Exercice 1 Contrainte dans un tirant

★☆☆Environ 5 min

Un tirant de section S=200 mm2S = 200\ \text{mm}^2 est soumis à une force de traction F=30 000 NF = 30\ 000\ \text{N}. Calcule la contrainte normale σ\sigma en MPa.

Indice 1

Utilise σ=F/S\sigma = F/S avec FF en N et SS en mm².

Voir la correction pas à pas
  1. On écrit la relation : σ=FS\sigma = \dfrac{F}{S}.

  2. On remplace par les valeurs, déjà dans les bonnes unités : σ=30 000200\sigma = \dfrac{30\ 000}{200}.

  3. On calcule : σ=150 MPa\sigma = 150\ \text{MPa}.

La contrainte dans le tirant vaut 150 MPa. Comme N divisé par mm² donne directement des MPa, aucune conversion n'était nécessaire.

Exercice 2 Dimensionner la section d'une barre

★★☆Environ 10 min

Une barre en acier de limite d'élasticité Re=235 MPaR_e = 235\ \text{MPa} doit supporter une traction de F=50 000 NF = 50\ 000\ \text{N} avec un coefficient de sécurité s=1,5s = 1{,}5. Calcule la section minimale SminS_{min} en mm², arrondie au centième.

Indice 1

Commence par calculer la résistance pratique Rpe=Re/sR_{pe} = R_e/s.

Indice 2

Inverse ensuite la condition : Smin=F/RpeS_{min} = F/R_{pe}.

Voir la correction pas à pas
  1. On calcule la résistance pratique : Rpe=2351,5≈156,67 MPaR_{pe} = \dfrac{235}{1{,}5} \approx 156{,}67\ \text{MPa}.

  2. La condition σ≤Rpe\sigma \le R_{pe} s'écrit FS≤Rpe\dfrac{F}{S} \le R_{pe}, donc S≥FRpeS \ge \dfrac{F}{R_{pe}}.

  3. On calcule avec la valeur exacte de RpeR_{pe} : Smin=50 000×1,5235≈319,15 mm2S_{min} = \dfrac{50\ 000 \times 1{,}5}{235} \approx 319{,}15\ \text{mm}^2.

  4. On choisit une section standard supérieure à cette valeur.

La section minimale est d'environ 319,15 mm². En pratique, on prendrait une section normalisée un peu plus grande.

Exercice 3 Contrainte déduite d'un allongement

★★★Environ 10 min

Une barre d'acier de longueur initiale L0=2 000 mmL_0 = 2\ 000\ \text{mm} s'allonge de ΔL=0,5 mm\Delta L = 0{,}5\ \text{mm} dans son domaine élastique. On admet que, dans ce domaine, σ=E ε\sigma = E\,\varepsilon avec E=200 000 MPaE = 200\ 000\ \text{MPa}. Calcule la contrainte σ\sigma en MPa.

Indice 1

Calcule d'abord l'allongement relatif ε=ΔL/L0\varepsilon = \Delta L / L_0.

Indice 2

Dans le domaine élastique, la contrainte est proportionnelle à la déformation.

Voir la correction pas à pas
  1. On calcule l'allongement relatif : ε=0,52 000=0,00025\varepsilon = \dfrac{0{,}5}{2\ 000} = 0{,}00025.

  2. Le comportement étant élastique, la déformation est proportionnelle à l'effort : on applique σ=E ε\sigma = E\,\varepsilon.

  3. On calcule : σ=200 000×0,00025=50 MPa\sigma = 200\ 000 \times 0{,}00025 = 50\ \text{MPa}.

  4. On compare à une limite d'élasticité typique d'un acier de construction : 50 MPa est bien dans le domaine élastique.

La contrainte vaut 50 MPa, très inférieure à la limite d'élasticité d'un acier de construction : l'hypothèse élastique est cohérente.

Quiz

9 questions · correction immédiate · ton score reste sur ton appareil.

  1. Quel est l'objectif principal de la résistance des matériaux ?

  2. Une règle plastique pliée légèrement reprend sa forme initiale. Quel est ce comportement ?

  3. Dans quel ordre un matériau ductile traverse-t-il les comportements quand la contrainte augmente ?

  4. La résistance pratique à l'extension s'écrit Rpe=Re/sR_{pe} = R_e / s. Si on augmente le coefficient de sécurité ss, que devient RpeR_{pe} ?

  5. Où les contraintes de flexion sont-elles les plus faibles dans une poutre ?

  6. Pourquoi utilise-t-on des profilés en I ou en H plutôt que des barres pleines pour fléchir ?

  7. Une force de 12 000 N s'exerce sur une section de 80 mm². Quelle est la contrainte normale en MPa ?

  8. Un acier a une limite d'élasticité Re=355R_e = 355 MPa et on prend s=2s = 2. Quelle est la résistance pratique RpeR_{pe} en MPa ?

  9. Le pliage d'une tôle en chaudronnerie cherche à rester dans le domaine élastique.

Les questions qu'on se pose

Quelle est la différence entre contrainte et pression ?

Les deux s'expriment en MPa et se calculent comme une force divisée par une surface, mais elles ne décrivent pas la même chose. La contrainte décrit l'état d'efforts à l'intérieur de la matière, alors que la pression décrit l'action d'un fluide ou d'un contact sur une surface extérieure. En RDM, on s'intéresse à la contrainte.

Pourquoi ne dimensionne-t-on pas avec la limite d'élasticité directement ?

Parce que la réalité s'écarte toujours un peu du calcul : charges mal connues, défauts du matériau, usure. On divise donc ReR_e par un coefficient de sécurité ss pour obtenir la résistance pratique Rpe=Re/sR_{pe} = R_e/s. 3 Ainsi, une petite erreur ne fait pas basculer la pièce dans le domaine plastique.

Une pièce peut-elle casser alors que la charge est inférieure à ce qu'elle supporte ?

Oui, si la charge est répétée. Les essais de Wöhler ont révélé que des efforts répétés et alternés modifient la tenue d'un matériau. 2 C'est pourquoi une pièce soumise à des cycles d'efforts se vérifie avec davantage de prudence qu'une pièce chargée une seule fois.

Comment savoir si je dois utiliser la flexion dans un exercice ?

Regarde comment la pièce est chargée. Si la force est perpendiculaire à l'axe de la pièce et que celle-ci repose sur des appuis, comme une poutre, une étagère ou un axe entre deux paliers, la sollicitation est de la flexion. Si la force tire ou comprime la pièce dans son axe, on est en traction ou en compression.

Qu'est-ce qui tombe le plus souvent en évaluation ?

Les questions qui reviennent : calculer une contrainte σ=F/S\sigma = F/S en respectant les unités, comparer cette contrainte à Re/sR_e/s pour conclure, et expliquer pourquoi on choisit un profilé plutôt qu'une section pleine en flexion. Rédige toujours une phrase de conclusion après la comparaison.

Sources

  1. Programmes et ressources en sciences de l'ingénieur - Voie générale et technologique, Éduscol. Consulté le 6 novembre 2026.
  2. Résistance des matériaux, Wikipédia. Consulté le 6 novembre 2026.
  3. Flexion (matériau), Wikipédia. Consulté le 6 novembre 2026.

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