La structure connue aujourd'hui sous le nom de la tour Eiffel a été à l'origine surnommée le Tour de 300 Mètres, la tour de 300 mètres. Le nom a été proposé par les ingénieurs Maurice Koechlin et Émile Nougier à Gustave Eiffel, qui a supervisé la construction de la tour. Il a laissé entendre le désir de construire quelque chose d'extraordinaire, un exploit technologique qui établirait un nouveau record de hauteur.
Cependant, à mesure que les températures augmentent pendant les mois d'été, la tour Eiffel devient encore plus grande que sa conception d'origine.
Une structure de fer légère
La tour Eiffel a été érigée à l'Exposition mondiale de 1889 pour commémorer le centenaire de la Révolution française.
Eiffel a choisi du fer adonné pour sa construction, un matériau qu'il connaissait bien et avait utilisé dans les projets précédents avec de bons résultats. Ce matériau ferreux peut résister à des niveaux de stress élevés, ce qui a permis la construction d'une grande tour très lumineuse qui serait à l'abri des forces de vent horizontales.
Pour donner une idée de la lumière de la tour, son poids de 7 300 tonnes est proche du poids du volume d'air contenu en elle – soit 6 300 tonnes.
La tour Eiffel était destinée à être un point d'observation primordial, ainsi qu'une base de radiodiffusion radio. La tour elle-même est une gigantesque structure de réseau triangulaire, tout comme le viaduc Garabit (également conçu par le bureau d'Eiffel) et le pont de Forth en Écosse, tous deux à partir de la même période.
Toutes ces structures augmentent lorsque la température du matériau augmente. Cependant, contrairement aux ponts, qui se comportent de manière plus complexe, la tour Eiffel connaît principalement la croissance et le retrait vertical en raison de changements de température. Ce phénomène est connu sous le nom d'expansion thermique.
Matériaux qui poussent et rétrécissent
Nous savons que la plupart des solides se développent lorsque la température augmente et se contracte lorsqu'elle baisse. En effet, une augmentation de la température provoque une plus grande agitation dans les atomes, ce qui entraîne une augmentation de la distance moyenne entre eux.
Selon la nature de la liaison, les différents types de solides connaissent une croissance plus ou moindre, que les ingénieurs doivent enregistrer avec grand soin. La céramique et les lunettes, avec des liaisons plus fortes, se développent moins que les métaux, qui à leur tour se développent moins que les polymères.
Alors, comment pouvons-nous estimer la quantité de mouvement dans un solide? Lorsque les éléments sont droits – comme le cas dans la plupart des travaux publics et de l'architecture, où les poutres et les barres prédominent – le mouvement est proportionnel à trois paramètres: la longueur de l'élément, le changement de température et le coefficient d'expansion du matériau.
Une largeur de cheveux
De nombreux matériaux céramiques ont généralement des coefficients d'expansion allant de 0,5 x 10⁻⁶ à 1,5 x 10⁻⁶ (° C) ⁻¹, tandis que les métaux varient entre 5×10⁻⁶ et 30×10⁻⁶ (° C) ⁻¹, et les polymères entre 50×10⁻⁶ et 300×10⁻⁶ (° C) ⁻¹. Ces nombres (peut-être étranges) indiquent la croissance d'une unité de longueur standard lorsque la température augmente d'un degré Celsius.
Les matériaux les plus extensibles sont les polymères, qui se développent environ dix fois plus que les métaux, et les métaux se développent dix fois plus que la céramique.
Le fer endoué utilisé dans la tour Eiffel, et ses composants en acier, ont un coefficient d'environ 12×10⁻⁶ (° C) ⁻¹, ce qui signifie qu'une barre de fer d'un mètre se développe de 12×10⁻⁶ mètres lorsque la température augmente d'un degré. Ce n'est qu'une douzaine de microns, moins que l'épaisseur des cheveux humains.
La chaleur a-t-elle donc un effet notable sur les bâtiments? Oui, si nous prenons en compte qu'il y a deux autres paramètres à considérer: la longueur de l'élément et la plage de température où il se trouve.
La longueur peut être très grande. La tour Eiffel mesure 300 m de haut, mais le viaduc Garabit mesure 565 m de long et le pont de Forth mesure plus de 2,5 km. Aujourd'hui, il existe de nombreuses structures linéaires plus grandes, et l'expansion thermique affecte également les voies ferrées que de nombreux ponts sont construits pour transporter.
Les gammes de températures historiques doivent également être analysées. Paris enregistre les températures depuis plus de deux siècles, avec des minimums hivernaux inférieurs à -20⁰C et des maximums d'été d'environ 40⁰C. Nous devons également prendre en compte l'effet du rayonnement solaire – les métaux peuvent atteindre des températures beaucoup plus élevées en plein soleil, dépassant souvent 60⁰C ou 70⁰C.
Se pencher du soleil
Maintenant, faisons le calcul. Nous estimerons à quel point une simple barre métallique de 100 mètres de long se développe lorsque la température fluctue de 100⁰C – la plage approximative ressentie par la tour Eiffel.
Le calcul est simple. Si une barre d'un mètre se développe de 0,000012 mètres lorsque la température augmente d'un degré, une barre de 100 mètres se développe de 0,12 mètre lorsque la température augmente de 100 degrés. Et une barre de 300 mètres se développerait trois fois plus: 0,36 mètre. C'est 36 cm. C'est une différence notable.
De toute évidence, une barre simple ne se comporte pas de la même manière qu'une tour faite de plus de 18 000 morceaux de fer riveté orienté dans toutes les directions. De plus, le soleil brille toujours sur l'un de ses côtés. Cela signifie que l'un de ses visages pousse plus que les autres, provoquant une légère courbe dans la tour, comme s'il se penchait du soleil.
Les spécialistes ont estimé que la tour Eiffel croît réellement entre 12 et 15 centimètres lors de la comparaison de sa taille les jours d'hiver froids avec les jours les plus chauds de l'été. Cela signifie qu'en plus d'être un point de repère, une tour de communication et un symbole de Paris lui-même, la tour Eiffel est également, en fait, un thermomètre géant.
