Une charge de cisaillement est une force qui provoque une contrainte de cisaillement lorsqu’elle est appliquée à un élément structurel. La contrainte de cisaillement, qui est une force par unité de surface, se produit dans le plan perpendiculaire à la contrainte normale ; il est créé lorsque deux plans du même objet essaient de glisser l’un sur l’autre. Les ingénieurs doivent calculer la charge de cisaillement sur les structures pour s’assurer qu’elles ne subissent pas de défaillance mécanique. Une charge trop élevée peut faire céder les matériaux ou les déformer de façon permanente.
Les contraintes normales se produisent lorsqu’un matériau est mis en tension ou en compression. Dans ce cas, les deux forces appliquées sont le long du même axe. Si les forces sont appliquées le long d’axes différents, il y aura des contraintes de cisaillement en plus des contraintes normales. Un élément carré du matériau subira des forces qui tendent à l’incliner en un parallélogramme. La contrainte de cisaillement moyenne dans un matériau est égale à la charge de cisaillement divisée par la section transversale en question.
Alors que la contrainte de cisaillement est une force par unité de surface, la charge de cisaillement se réfère généralement uniquement à la force elle-même. Par conséquent, les unités appropriées sont les unités de force, le plus souvent Newtons ou livres-force. Lorsqu’une charge de cisaillement est appliquée à un matériau contraint, une force de réaction est chargée de maintenir le matériau immobile. Cette force de réaction constitue la seconde force appliquée ; lorsqu’il est combiné avec une force de réaction, une seule force peut donner lieu à des contraintes de cisaillement.
La charge de cisaillement est importante dans le calcul des contraintes dans une poutre. L’équation de poutre d’Euler-Bernoulli relie la charge de cisaillement au mouvement de flexion tout au long d’une poutre. Un moment de flexion est le couple de torsion qui provoque la déviation d’une poutre. La charge maximale admissible sur une poutre est liée à la fois au matériau et à la géométrie de la poutre – des poutres plus épaisses faites de matériaux plus résistants peuvent supporter des charges de cisaillement plus élevées.
Lorsque les forces rendent les contraintes internes trop élevées, un matériau cède. L’élasticité modifie en permanence la forme et la taille détendues d’un matériau, comme cela se produit lorsque le matériau est exempt de forces externes. Un trombone peut facilement être amené à la main jusqu’à la limite d’élasticité. La flexion déforme non seulement la géométrie d’un matériau, mais elle peut également rendre les matériaux plus susceptibles de se briser. La gestion de ce risque est d’une importance cruciale pour les ingénieurs civils et mécaniques.
Décider quels matériaux sont les plus résistants ou qui ont les points d’élasticité les plus élevés est plus facile à faire par l’expérimentation que par l’analyse théorique. Il est de notoriété publique, par exemple, que l’acier peut tolérer plus de contraintes internes que l’aluminium. L’explication de pourquoi c’est le cas fait l’objet de plusieurs théories concurrentes. Certaines de ces théories mettent l’accent sur la contrainte de cisaillement comme fondamentale pour expliquer quand les matériaux vont céder.