Techniquement, une force radiale est toute force qui agit en ligne droite. En physique, il est souvent utilisé pour décrire l’influence exercée perpendiculairement – à angle droit – à la ligne médiane, ou à l’axe, d’un objet se déplaçant sur une trajectoire orbitale. En d’autres termes, une balle balancée en arc de cercle au bout d’une corde subira cette force, gardant la corde tendue. Plusieurs autres forces prévisibles agissent dans différentes directions pour maintenir la balle en rotation dans l’arc, mais la force radiale est responsable de l’éloigner de la main tenant la corde.
Bien que les origines et la nature exactes des forces radiales soient très compliquées, elles peuvent être observées à l’œuvre dans de nombreux processus quotidiens, tels que les embouts d’outils électriques, les pneus de voiture en rotation et les roulements. En usinage, cette force est expliquée comme l’influence qui éloigne un outil de coupe de la surface à couper. Le calcul correct des spécificités de la force radiale est une étape critique dans la conception d’outils et d’autres objets avec des pièces en rotation.
Que fait la force radiale ?
Les forces radiales sont une composante importante du processus qui maintient tout objet en déplacement sur une orbite circulaire. Lorsqu’une masse connue (telle qu’une balle) tourne en cercle à une distance définie (le rayon) du point central à une vitesse constante, la force radiale pousse la masse vers l’extérieur, loin du centre. La force maintient la masse en rotation à la même distance du point central, maintenant une trajectoire orbitale régulière – un cercle ou une ellipse. Sans l’action de cette force, le chemin serait erratique et imprévisible.
Ceci est vrai pour tous les objets en orbite, qu’ils soient physiquement attachés au centre ou non. Une bille libre tournée autour de l’intérieur d’un seau est également forcée contre la paroi interne du conteneur par une force radiale. Les forces radiales sont, par exemple, également responsables du maintien d’une boule de roulette contre le bord de la fente de la roue pendant que la roue tourne.
Pourquoi les forces radiales sont-elles importantes ?
Le calcul précis des forces radiales est une considération de conception critique de tout ce qui présente un mouvement orbital. L’établissement précis de l’étendue de cette variable joue un rôle majeur dans l’efficacité globale, la sécurité et la durée de vie d’un équipement, par exemple. Cela permet également aux concepteurs de déterminer quelles seront les limitations pratiques pour un élément donné.
Par exemple, les roulements sont largement utilisés dans de nombreux types d’équipements différents pour soutenir, guider et réduire le frottement du mouvement entre les pièces fixes et mobiles de la machine. Ils sont souvent exposés à des forces radiales qui créent des contraintes matérielles internes pouvant entraîner une usure et une défaillance éventuelle si la force et les contraintes associées deviennent excessives. Les roulements doivent être suffisamment solides pour résister aux pressions qui leur sont régulièrement appliquées. Pour cette raison, il existe des types de roulements spécialement conçus et évalués pour les applications mécaniques présentant des forces radiales élevées.
Un autre exemple de ce phénomène au travail est la force à laquelle un outil de coupe est soumis lorsqu’il enlève de la matière de la surface d’une pièce à usiner. La force agit sur l’outil pour l’éloigner de la pièce à couper. La quantité de force agissant sur le dispositif de coupe dépendra des caractéristiques de l’outil lui-même et des propriétés du matériau usiné. Si l’outil est mal conçu et subit une force radiale excessive, il pourrait être très difficile de pousser le tranchant dans la pièce, ce qui entraînerait des résultats inférieurs à la norme ou même potentiellement blesser l’opérateur lorsque l’outil est éloigné.
Variation de force radiale
Une variation de ce phénomène se produit lorsque la quantité de mouvement de l’objet en déplacement change ou évolue pendant le fonctionnement. Appelée variation d’effort radial, elle peut être illustrée à l’aide de l’exemple d’un pneumatique automobile. Le pneu subira une force radiale dans une direction perpendiculaire à l’axe de la roue qui, si le pneu était parfaitement rond et la surface de la route parfaitement lisse, resterait la même pendant que la roue tourne. Ce n’est cependant pas le cas, de sorte que la force radiale exercée sur le pneu change à chaque fois qu’il tourne. Cela pose aux concepteurs des défis lors de la conception d’équipements, car ils doivent pouvoir fonctionner en toute sécurité dans des conditions environnementales en constante évolution.