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Fiche relue et validée.

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Ajout du plan et suppression de la source la moins détaillée : normalement ça rentre (3999 caractères sur SCEI avec mise en page)
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Motivation :

Les fluides non newtoniens constituent une ressource aux propriétés étonnantes intermédiaires entre liquides et solides. Le développement des gilets pare-balles tente actuellement d’user de ces caractéristiques pour limiter la pénétration d’une balle.

Néanmoins, la distribution à grande échelle de cette ressource que sont les polymères viscoélastiques sera conditionnée par la possibilité de les synthétiser aisément.

Objectif :

J’ai étudié comment un polymère viscoélastique, le Silly Putty, peut rendre compte de la capacité des matériaux viscoélastiques à limiter la pénétration d’une balle.

Démarche :

La ressource Silly Putty a tout d’abord été modélisée par un modèle mécanique simple, le modèle du solide linéaire standard. J’ai ainsi réduit l’étude de l’impact sur le gilet pare-balle à celle d’un cylindre de Silly Putty soumis à une force F constante.

J’ai ensuite déterminé les paramètres (constante de raideur, temps caractéristique, viscosité dynamique, module de Young) caractéristique de la ressource en effectuant une compression constante de 10mm du cylindre à l’aide d’une presse mécanique tout en mesurant la force exercée par le Silly Putty sur un capteur de force.

Ayant ainsi évalué toutes les grandeurs nécessaires à la modélisation de l’impact, j’ai réalisé une programme Python afin de choisir « l’arme » la mieux adaptée pour étudier la déformation du bloc. La simulation informatique m’a alors orienté vers un pistolet à bille 0,5J, qui devait engendrer une déformation de l’ordre de 1 mm.

Afin d’éprouver la validité du modèle adopté, j’ai évalué la déformation du bloc de Silly Putty en fonction de la distance de tir, ce qui a révélé une bonne adéquation entre les valeurs prédites par le modèle compte tenu des incertitudes.

J’ai ensuite étudié la synthèse de ce polymère viscoélastique, en réalisant au laboratoire du lycée une hydrolyse du dichlorodimethylsilane, qui est suivie d’une polycondensation in situ entre les monomères formés. Après extraction, j’ai finalement réticulé le polymère obtenu par l’acide borique. Les propriétés du produit synthétisé étaient celle d’un polymère viscoélastique, bien que plus proches du liquide que celles du Silly Putty.

J’ai finalement évalué les caractéristiques du produit de synthèse par le même protocole que pour le Silly Putty commercial. J’ai ainsi obtenu des valeurs distinctes mais du même ordre de grandeur ; ce qui souligne la proximité des deux polymères.

Plan :

I. Introduction

II. Modélisation du comportement viscoélastique
  1. Modèle du solide linéaire standard
  2. Détermination expérimentale des paramètres
  3. Exploitation des résultats

III. Réponse du gilet pare-balle
  1. Modélisation
  2. Réalisation expérimentale
  3. Évaluation du modèle

IV. Synthèse du Silly Putty

V. Conclusion

Bilan :

Ce projet m’a permis de me confronter aux difficultés mais également au caractère stimulant d’une démarche scientifique, notamment par la confrontation d’un modèle mécanique simple aux résultats expérimentaux, tout en liant étude physique et chimique. En effet, le caractère de prime abord surprenant des polymères non newtoniens se trouve élucidé par l’étude du processus de réticulation qui permet la répartition de la contrainte exercée par la balle sur l’ensemble des chaînes. La limitation de la déformation du gilet face à un impact rapide est ainsi modélisée de façon satisfaisante.

Bibliographie :

[1] R. Cross, Elastic and viscous properties of silly putty, Am. J. Phys. 80, 870-875 (2012)
[2] R. Cross, Elastic properties of plasticine, silly putty and tennis strings, The Physics Teacher, 50, 527- 529 (2012)
[3] Hiroshi Murata, Rheology - Theory and Application to Biomaterials, chapitre 17, INTECH Open Access Publisher (2012)
[4] Rutgers University, Preparation Of “Bouncing Putty” A Silicone Polymer With Unusual Properties, http://andromeda.rutgers.edu/~fjaekle/ExptG.pdf