Pourquoi les tailleurs de pierre fendent-ils un gros rocher avec de simples coins ?
― La pierre cache un « sens » où elle se fend facilement
À une époque sans engins, les tailleurs de pierre fendaient des blocs gros comme des maisons avec juste des coins de fer et un maillet. Ils ne frappaient pas au hasard. Ils savaient, par expérience, « dans quel sens la pierre est faible » et « dans quelle direction elle veut se fendre ».
En vous promenant sur les vestiges d'un château, vous remarquerez parfois, sur le bord des grosses pierres du rempart, une rangée de petites entailles carrées alignées comme des pointillés.
Ces entailles mesurent souvent une dizaine de centimètres de long. On dirait une ligne de découpe.
C'est ce qu'on appelle un « yaana » : la trace d'une pierre fendue. On creusait une rangée de trous, on y enfonçait des coins, et le rocher se séparait net en deux.
Pourquoi le coin fend la pierre : seulement deux raisons
La pierre résiste très bien à l'écrasement par le haut, mais elle est faible face à une force qui l'arrache. Le coin transforme le coup de maillet en une force qui pousse latéralement, arrachant la pierre de l'intérieur.
Dans des roches comme le granite, des microfissures invisibles à l'œil nu sont alignées dans une même direction. En fendant dans ce sens, la pierre se sépare tout droit avec peu d'effort.
Ces deux propriétés, les tailleurs de pierre les exploitaient par expérience, en parlant de « lire le grain de la pierre ». Voyons cela dans l'ordre.
Le coin transforme le coup de maillet en force d'arrachement
La pierre est un matériau extrêmement résistant à la compression. C'est pour cela que les rangées basses d'un rempart peuvent soutenir le poids des pierres du dessus pendant des siècles.
En revanche, elle devient faible face à une force qui l'arrache. Pour le granite, la résistance à la traction ne représenterait qu'environ un dixième de la résistance à la compression.
Le coin exploite précisément ce point faible. Regardez la figure 1. En frappant par le haut avec le maillet, le coin fin et allongé pousse latéralement les parois gauche et droite du trou.
Plus le coin est allongé, plus la poussée latérale est grande. Pour un coin dix fois plus long qu'épais, sans frottement, la force latérale théorique atteint environ dix fois la force du coup de maillet.
Au fond du trou ainsi écarté, la pierre est tirée de part et d'autre. Une fissure part alors vers le bas.
Avec un seul trou, impossible de savoir dans quelle direction la fissure va partir. Les tailleurs de pierre alignaient donc les trous en rangée et frappaient les coins un peu à la fois, dans l'ordre. La fissure passait alors d'un trou à l'autre, et la pierre se fendait exactement le long de la ligne de découpe.
À l'intérieur de la pierre, il existe un « sens des fissures » aligné
L'autre astuce, c'est le « grain de la pierre ». Le granite est une roche née d'un magma qui a refroidi lentement en profondeur avant de se solidifier.
En refroidissant et en se rétractant, ou sous l'effet de pressions subies pendant de longues périodes, de microfissures invisibles à l'œil nu apparaissent à l'intérieur. Le plus souvent, ces fissures sont alignées dans une même direction.
Comme le montre le côté gauche de la figure 2, fendre dans le sens de cet alignement fait que les fissures se relient les unes aux autres, et la surface se sépare bien droite. Fendre à contresens, comme à droite, fait serpenter la fissure et donne une surface irrégulière.
Le granite aurait trois directions de fissibilité différentes : la direction la plus facile à fendre, une deuxième direction, et la direction la plus difficile. Les tailleurs de pierre distinguaient ces directions, dit-on, grâce à l'alignement des grains visibles en surface et à la sensation ressentie en frappant.
Sur l'île de Shodoshima, en mer intérieure de Seto, subsistent des pierres taillées à l'époque d'Edo pour les remparts du château d'Osaka mais jamais transportées. Appelées « zannenseki » (pierres regrettées), elles conservent leur rangée de yaana intacte. En observant l'alignement des trous, on peut imaginer où le tailleur avait repéré le « grain » de la pierre.
Aujourd'hui, on perce souvent une rangée de trous ronds à la perceuse, puis on y insère des ferrures appelées « coins expansifs » pour fendre la pierre. Les outils ont changé, mais l'idée d'aligner des trous et de les écarter avec des coins reste la même qu'à l'époque d'Edo.
En résumé
Si le coin fend le rocher, c'est parce qu'il transforme le coup de maillet en force latérale, exploitant la faiblesse de la pierre face à la traction. Et en suivant les microfissures alignées à l'intérieur de la pierre, la fente progresse tout droit avec peu d'effort.
Le tailleur de pierre n'a pas brisé la pierre par la force.
Il a simplement poussé, doucement, dans le sens où elle voulait se fendre.
Quand une force se concentre en un point, même un matériau dur se casse avec une facilité surprenante. C'est aussi ce qui se passe avec la coquille d'un œuf (Pourquoi la coquille d'un œuf ne casse-t-elle pas quand on la serre dans la main, mais se brise-t-elle si on la cogne légèrement sur le bord ?). Le bois aussi a un sens où il se fend facilement en séchant (Pourquoi coupe-t-on le bois entre l'automne et l'hiver ?).
- Prenez une feuille de journal et déchirez-la à la main, une fois dans le sens vertical, une fois dans le sens horizontal. Un sens se déchire tout droit, l'autre de façon irrégulière. C'est parce que le papier a lui aussi un « grain », dû à l'alignement de ses fibres.
- Prenez une craie et essayez de l'écraser en appuyant des deux doigts sur ses extrémités. Elle résiste bien. Maintenant, tenez-la des deux mains et pliez-la légèrement : elle casse facilement. En la pliant, la face extérieure est mise en traction.
- Si vous voyez un rempart de château ou une grosse pierre dans un parc, cherchez sur son bord une rangée d'entailles carrées. Si vous en trouvez, regardez si cette rangée correspond à la surface de fracture.
Ne tentez pas de fendre une pierre vous-même : des éclats tranchants peuvent projeter vers les yeux ou les mains. Ne grimpez pas sur les remparts et observez-les uniquement de l'extérieur.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et lien avec les manuels scolairesDu niveau collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau des sciences au collège
- LycéeNiveau du tronc commun « physique et sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+Niveau approfondi du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéNon vu au lycée : matières universitaires spécialisées (résistance des matériaux, mécanique de la rupture, mécanique des roches)
- RechercheSujet qui n'est pas encore enseigné comme « établi » même à l'université, encore étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Grain de la pierre (ishime) : la direction dans laquelle la pierre se fend facilement. Dans le granite, on pense que la cause principale est l'alignement des microfissures dans une même direction.
- Yaana et seriya : le yaana est une rangée de trous creusés pour y insérer des coins. Le seriya est un outil composé de deux plaquettes de calage placées dans le trou, entre lesquelles on enfonce un coin.
- Granite : roche plutonique née d'un magma refroidi lentement en profondeur. Elle est composée de grains de quartz, de feldspath, de mica, etc.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle force faut-il pour arracher toute une surface d'un coup ?
Prenons une surface de 0,5 mètre de haut et 1 mètre de profondeur, et imaginons qu'on arrache le granite d'un seul coup sur toute cette surface. Estimons la force nécessaire à partir de la résistance à la traction.
| Symbole | Signification et unité |
| Résistance à la traction du granite (ordre de grandeur) | environ 10 MPa (environ 10 millions de newtons par mètre carré) |
| Taille de la surface à fendre | 0,5 m de haut, 1 m de profondeur |
| Forme du coin | 10 cm de long, 1 cm d'épaisseur |
| Gravité s'exerçant sur 1 kilogramme | environ 9,8 newtons |
| Surface à fendre (mètres carrés) | 0,5 × 1 = 0,5 |
| Force pour arracher toute la surface d'un coup (newtons) | 10 000 000 × 0,5 = 5 000 000 |
| Converti en poids (kilogrammes) | 5 000 000 ÷ 9,8 ≒ 510 000 |
| Facteur multiplicateur du coin (sans frottement) | 10 ÷ 1 = 10 |
Arracher toute la surface d'un seul coup demanderait une force équivalente à soulever un poids de 500 tonnes. Même multipliée par 10 grâce au coin, cette force reste hors de portée humaine. Si la pierre se fend malgré tout, c'est parce que la force se concentre à la pointe de la fissure, et que la fente progresse « peu à peu » plutôt que « d'un seul coup ». En suivant le grain de la pierre, de microfissures attendent déjà sur le trajet.
LycéeLycée+Décomposition de la force du coin et concentration en pointe de fissure
LycéeQuand on enfonce un coin à angle faible, ses faces gauche et droite exercent sur la pierre une force perpendiculaire à chaque face. En décomposant cette force en une composante verticale et une composante horizontale, la somme des composantes verticales équilibre la force du coup. Plus l'angle est faible, plus la composante horizontale est grande. En négligeant le frottement, la force horizontale vaut la force du coup multipliée par « longueur ÷ épaisseur ».
Lycée+La pointe d'une fissure forme une entaille aiguë. La force que devrait supporter la pierre environnante se concentre à cette pointe, si bien que la contrainte y est bien plus élevée que la moyenne. C'est ce qu'on appelle la concentration de contrainte. C'est aussi pour cette raison qu'une petite entaille dans du papier le fait se déchirer facilement.
UniversitéMécanique de la rupture et anisotropie des roches
Griffith a montré en 1921 que de petites fissures à l'intérieur d'un matériau concentrent la force à leur pointe, et que c'est cela qui détermine la résistance globale du matériau. La mécanique de la rupture actuelle exprime ce degré de concentration de la force à la pointe d'une fissure par le facteur d'intensité de contrainte : lorsqu'il dépasse la ténacité propre au matériau, la fissure se propage. La ténacité du granite serait d'environ 1 à 2 MPa·√m. Par ailleurs, les trois directions de fissibilité du granite sont appelées, dans l'industrie de la pierre anglophone, « rift », « grain » et « hardway ». Des études rapportent que la vitesse de propagation des ultrasons et la résistance à la traction varient selon la direction, en correspondance avec l'alignement des microfissures.
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- La cause de l'alignement des fissures Plusieurs pistes sont envisagées : les contraintes du retrait lors du refroidissement du magma, les pressions reçues ensuite de la croûte terrestre, ou celles liées à la remontée vers la surface et à l'érosion des roches sus-jacentes. Il est souvent difficile de déterminer laquelle a prédominé pour un massif rocheux donné.
- Mesurer le « grain » avant de fendre Des tentatives existent pour estimer le grain à partir des différences directionnelles de vitesse des ultrasons, mais on ne peut pas dire qu'il existe une méthode établie, utilisable sur le terrain avec la même précision que l'œil exercé d'un artisan.
- La nature réelle des repères de l'artisan On ne sait pas encore bien mesurer ni formuler comment un tailleur de pierre expérimenté combine l'alignement des grains en surface, le son du coup frappé et la sensation ressentie pour lire le grain de la pierre.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « une explication dans la limite de ce qu'on sait aujourd'hui ». Que le savoir-faire artisanal fonctionne réellement, et que son mécanisme soit expliqué en détail, sont deux choses différentes.
Lien avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences 1 « Action des forces » / Sciences 2 « Roches magmatiques » | Le coin qui change la direction de la force, la formation du granite |
| Lycée | Physique de base « Décomposition et équilibre des forces » / Sciences de la Terre de base « Roches plutoniques » | Décomposer la force du coin en composantes verticale et horizontale |
| Lycée+ | Physique approfondie / Résistance des matériaux | Concentration de contrainte, écart entre résistance à la traction et à la compression |
| Université | Résistance des matériaux, mécanique de la rupture, mécanique des roches | Théorie de Griffith, ténacité, anisotropie des roches |
| Recherche | Physique des roches, géologie structurale | Cause de l'alignement des fissures, estimation non destructive du grain |
| ― | Lien avec le quotidien | Observation des yaana sur les remparts, façon dont se déchirent le papier journal et la craie |
- A. A. Griffith (1921) The phenomena of rupture and flow in solids, Philosophical Transactions of the Royal Society A 221
- J. C. Jaeger, N. G. W. Cook, R. W. Zimmerman, « Fundamentals of Rock Mechanics », 4e édition, Blackwell Publishing (résistance à la traction et à la compression des roches, rupture)
- T. L. Anderson, « Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications », CRC Press (concentration de contrainte et ténacité)
- Kitagaki Sōichirō, « Ishigaki Bushin » (La construction des remparts en pierre), collection Mono to Ningen no Bunkashi, Hōsei University Press (石垣普請 — sur l'extraction de la pierre par la méthode du yaana)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur donnés pour comprendre le mécanisme ; elles varient fortement selon le type de roche et son origine. Fendre une pierre est une opération dangereuse (projection d'éclats) : ne l'effectuez pas vous-même. Sur les remparts historiques, suivez les consignes de la collectivité qui en assure la gestion.