Pourquoi une planche de bois se déforme-t-elle toujours dans le même sens ?
― Un menuisier le devine en regardant simplement les cernes sur la tranche
Une planche à découper, une étagère, un plancher : au bout de quelques années d'usage, ils se déforment un peu. Pas n'importe comment. Ils se courbent presque toujours dans le sens où l'arc des cernes s'aplatit. La raison : quand le bois rétrécit, il rétrécit deux fois plus dans une direction que dans l'autre.
Vous avez laissé votre planche à découper debout, appuyée contre un mur, pendant un moment. En la reposant à plat, le milieu se soulève : elle bascule et fait du bruit quand on appuie dessus.
Retournez-la : elle se pose parfaitement à plat. La déformation creuse toujours le même côté.
Le menuisier, lui, jette un coup d'œil à la tranche de la planche et dit : « ça, c'est le dessus. » Comment le sait-il juste en regardant ?
Deux raisons, pas plus
Quand le bois sèche et rétrécit, il rétrécit environ deux fois plus dans le sens des cernes que dans le sens qui va du centre vers l'extérieur. Dans le sens de la longueur, il ne rétrécit presque pas.
Une planche débitée dans un tronc n'a pas les cernes orientés de la même façon sur ses deux faces. Le côté qui rétrécit le plus est davantage tiré, et la planche se courbe.
En combinant ces deux points, le sens de la déformation est décidé dès le départ. Voyons cela étape par étape.
Dans quel sens et de combien le bois rétrécit-il ?
Le bois est structuré comme un faisceau de fines pailles. Chaque paille est une cellule qui transportait de l'eau. Les parois de ces cellules sont imbibées d'eau.
Quand le bois sèche, l'eau à l'intérieur des pailles s'évacue d'abord. Pendant ce temps, la taille du bois change à peine : seul le contenu diminue.
Mais une fois cette eau interne épuisée, si le séchage continue, c'est l'eau des parois cellulaires elles-mêmes qui part. Les parois s'amincissent, et le bois entier commence à rétrécir. Ce point de bascule s'appelle le point de saturation des fibres. Au-delà, le bois rétrécit.
Voici le cœur du sujet : le rétrécissement varie fortement selon la direction. Regardez la partie gauche de la figure 1. Sur la tranche d'un tronc, les cernes forment des cercles concentriques.
Le sens qui tourne le long des cernes s'appelle la direction tangentielle, et le sens du centre vers l'extérieur, la direction radiale. Pour un même bois, la direction tangentielle rétrécit environ deux fois plus que la direction radiale.
Cet écart vient des files de cellules qui partent en rayons du centre vers l'extérieur du tronc : on les appelle les rayons ligneux. Elles soutiennent le bois comme des étais, dans le sens qui va vers l'extérieur.
D'où le sens de la déformation est fixé dès le départ
Quand on débite une planche dans un tronc, les cernes y forment un arc, comme à droite de la figure 1. Le côté où l'arc bombe est celui qui était à l'extérieur du tronc. On l'appelle la face externe ; la face opposée, tournée vers le cœur de l'arbre, est la face interne.
Du côté de la face externe, les cernes sont presque parallèles à la surface de la planche : c'est donc la direction tangentielle, celle qui rétrécit fort. Du côté de la face interne, on est proche de la direction radiale, donc le rétrécissement est faible.
Si un seul côté de la planche rétrécit beaucoup, la planche se courbe en mettant ce côté à l'intérieur de la courbure. C'est ainsi qu'elle se déforme dans le sens où l'arc des cernes s'aplatit. La face externe devient le côté qui se creuse.
Le menuisier regarde la tranche justement pour vérifier le sens de cet arc. Pour poser un parquet, on place la face externe vers le haut : si le dessus se creuse légèrement, les bords de la planche sont plaqués vers le bas et ne se soulèvent pas.
Si l'on débite une planche en passant par le centre du tronc, la direction radiale est la même sur toute la surface de la planche. Il n'y a alors pas d'écart de rétrécissement entre les deux faces, et la planche se déforme très peu. On appelle ce débitage le bois sur quartier. Il est coûteux car on n'en tire que peu de planches par tronc.
Ce rétrécissement n'est pas une dégradation irréversible. Pendant les saisons humides, le bois reprend de l'eau et regonfle. C'est pour la même raison que les cloisons à panneaux coulissants deviennent plus lourdes à manier, différemment en été et en hiver.
En résumé
Le bois ne rétrécit pas de la même façon selon la direction : c'est le sens des cernes qui rétrécit le plus. Comme cet écart existe entre le dessus et le dessous d'une planche, elle se déforme dans le sens où l'arc des cernes s'aplatit. Ce sens étant fixé, on peut le prédire simplement en regardant la tranche.
Une planche ne se courbe pas au hasard.
Elle bouge exactement selon le plan tracé par ses cernes.
La formation même des cernes est expliquée dans « Pourquoi les cernes du bois se forment-ils un par an ? », et l'astuce consistant à couper le bois en hiver pour réduire son humidité dans « Pourquoi abat-on le bois entre l'automne et l'hiver ? ». Ce savoir-faire fondé sur l'observation existe aussi pour la pierre, présenté dans « Comment un tailleur de pierre fend-il un gros rocher avec de simples coins ? ».
- Regardez la tranche courte d'une planche à découper ou d'une étagère. Vous verrez que les lignes des cernes dessinent un arc.
- Comparez le côté où cet arc bombe avec le sens de la déformation de la planche. Elle doit se déformer dans le sens où l'arc s'aplatit.
- Trempez une baguette jetable dans l'eau pendant 30 minutes, puis laissez-la sécher une journée à plat. La baguette, droite au départ, se courbe légèrement.
Le bois lamellé-collé et le contreplaqué contrent ce mouvement en collant des couches orientées en sens alterné. Pour observer une vraie déformation, choisissez une planche massive, en une seule pièce.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesdu collège aux matières spécialisées de l'université, le niveau de chaque partie est indiqué
- Collègece qu'on apprend en sciences au collège
- Lycéece qu'on apprend en physique-chimie de base au lycée
- Lycée+contenu d'approfondissement du lycée, ou encadré dans les manuels
- Universitécontenu non enseigné au lycée, propre à des matières spécialisées universitaires (résistance des matériaux, science du bois)
- Recherchece qui n'est même pas enseigné à l'université comme un fait établi, et que les chercheurs étudient encore aujourd'hui
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Taux d'humidité : le poids de l'eau contenue dans le bois, divisé par le poids du bois complètement séché. Pour du bois vert, ce taux peut dépasser 100.
- Point de saturation des fibres : le seuil où l'eau dans les espaces entre cellules a disparu et où l'eau des parois cellulaires commence à partir. Pour beaucoup d'essences, il correspond à un taux d'humidité d'environ 30. Au-delà, le bois rétrécit.
- Face externe et face interne : sur la tranche, la face vers laquelle l'arc des cernes est bombé est la face externe ; elle correspond à ce qui était à l'extérieur du tronc. La face opposée, tournée vers le cœur de l'arbre, est la face interne.
CollègeLycéeVérification par le calcul : de combien se déforme une planche de 15 centimètres de large ?
Si le rétrécissement diffère entre le dessus et le dessous d'une planche, elle se courbe. Calculons le soulèvement au milieu. C'est le même principe que l'aiguille d'un thermomètre à deux lames métalliques collées, qui se courbe.
| En symboles | δ ＝ (αt − αr) × ΔU × W² ÷ (8 × h) |
| En mots | hauteur de la déformation ＝ (écart entre taux de rétrécissement tangentiel et radial) × (variation du taux d'humidité) × (largeur de la planche au carré) ÷ (8 × épaisseur de la planche) |
| D'où vient cette formule | Si les deux faces d'une planche ont des déformations différentes, la planche prend la forme d'un arc de cercle à courbure constante. Cette courbure est donnée par « écart de déformation entre les deux faces ÷ épaisseur ». La hauteur au milieu de l'arc est « courbure × largeur au carré ÷ 8 ». C'est en combinant ces deux relations qu'on obtient la formule. |
| Largeur de la planche W | 150 mm |
| Épaisseur de la planche h | 15 mm |
| Taux de rétrécissement tangentiel αt | 0,0025 par unité de taux d'humidité (valeur repère pour le cèdre du Japon) |
| Taux de rétrécissement radial αr | 0,0012 par unité de taux d'humidité (valeur repère pour le cèdre du Japon) |
| Variation du taux d'humidité ΔU | de 20 à 10, soit 10 |
Comment lire les symboles : toutes les unités sont en millimètres. Le taux de rétrécissement est un nombre sans unité, qui indique de quelle fraction le bois rétrécit chaque fois que le taux d'humidité baisse de 1.
| Écart des taux de rétrécissement | 0,0025 − 0,0012 ＝ 0,0013 |
| Écart de déformation entre dessus et dessous | 0,0013 × 10 ＝ 0,013 |
| Largeur de la planche au carré | 150 × 150 ＝ 22500 |
| On regroupe le numérateur | 0,013 × 22500 ＝ 292,5 |
| Dénominateur (8 fois l'épaisseur) | 8 × 15 ＝ 120 |
| Hauteur de la déformation δ | 292,5 ÷ 120 ≒ 2,4 |
③ Traduisons ce résultat concrètement. Le milieu d'une planche de 15 centimètres de large se soulève de 2,4 millimètres. C'est à peu près l'épaisseur de deux pièces de 10 yens empilées. De quoi faire suffisamment bouger une planche à découper pour qu'elle fasse du bruit. La formule montre aussi qu'épaissir la planche réduit la déformation, alors qu'élargir la planche l'augmente d'un coup.
LycéeLycée+D'où vient cet écart de rétrécissement ?
LycéeLe principal composant des parois cellulaires est la cellulose, dont les longues molécules s'assemblent en faisceaux alignés. L'eau pénètre difficilement dans le sens de ces faisceaux, mais entre et sort facilement dans le sens perpendiculaire. C'est pourquoi le bois rétrécit à peine en longueur, mais beaucoup en épaisseur.
Lycée+Le rapport entre les taux de rétrécissement tangentiel et radial est appelé, dans le domaine du bois, le rapport T/R. Il vaut environ 2 pour beaucoup d'essences. On l'explique par le rôle des rayons ligneux, qui retiennent la direction radiale, et par la structure en couches alternées de bois d'automne et de bois de printemps. La partie sombre et dense des cernes, le bois d'automne, freine le rétrécissement de la partie claire et fine qui, elle, tend à rétrécir davantage.
UniversitéLe bois, un matériau à orthotropie
On traite le bois comme un matériau orthotrope, dont les trois axes principaux — longitudinal, radial et tangentiel — sont perpendiculaires entre eux. Pour décrire son élasticité, les deux constantes suffisantes pour un matériau isotrope ne suffisent plus : il en faut neuf, indépendantes. Ce cadre est le même que celui de la mécanique des matériaux composites, avec les mêmes outils mathématiques que pour la conception des plastiques renforcés de fibres. La déformation due au séchage s'écrit sous la même forme que la dilatation thermique, en donnant le taux de rétrécissement comme coefficient appliqué au taux d'humidité.
📖 Pour le contexte de ces notions et aller plus loin : Anisotropie (Wikipédia japonais) ／ Bois (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore parfaitement compris
- Pourquoi le rapport vaut environ 2. On observe que plus une essence possède de rayons ligneux, plus ce rapport tend à être faible, mais des cas où cette seule quantité n'explique pas tout ont été rapportés. La part exacte jouée par la structure en couches reste débattue.
- Les contraintes internes qui subsistent pendant le séchage. Quand la surface sèche et se fige avant l'intérieur, des contraintes restent piégées dans la planche. Les prédire précisément par le calcul numérique demeure un défi aujourd'hui.
- Les déformations qui s'accumulent d'une année à l'autre. À force d'alterner humidité et sécheresse, des déformations qui ne reviennent jamais complètement à la forme d'origine s'accumulent. Le mécanisme n'est pas entièrement élucidé.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « une explication selon l'état actuel des connaissances ». Les valeurs numériques varient beaucoup selon l'essence et la partie du bois : à lire comme des ordres de grandeur.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・structure des plantes／changements d'état | Parois cellulaires, eau, rétrécissement au séchage |
| Lycée | Physique de base・force et déformation／chimie de base・polymères | Déformation et courbure, orientation de la cellulose |
| Lycée+ | Physique・dilatation thermique et poutres | Principe de la courbure d'une bilame |
| Université | Résistance des matériaux・science du bois | Orthotropie, coefficient de rétrécissement |
| Recherche | Physique du bois | Origine du rapport, contraintes résiduelles, déformations cumulées |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Orientation de pose des planches à découper, planchers, étagères |
- Bois (Wikipédia japonais) ― présentation de la structure, du taux d'humidité et des modes de débitage
- Supervisé par le Forestry and Forest Products Research Institute (森林総合研究所), Mokuzai Kōgyō Handobukku (Manuel de l'industrie du bois), Maruzen Publishing ― taux de rétrécissement par essence et point de saturation des fibres
- Société japonaise de science du bois (dir.), Mokushitsu Kagaku Handobukku (Manuel de science du bois), Asakura Shoten ― anisotropie du bois et déformation au séchage
- Fushitani Masayoshi et al., Mokuzai no Butsuri (Physique du bois), Buneido Shuppan ― anisotropie du rétrécissement et rôle des rayons ligneux
- Anisotropie (Wikipédia japonais) ― le concept d'un matériau dont les propriétés varient selon la direction
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs numériques indiquées sont des repères et des approximations destinés à aider à comprendre le mécanisme. Les taux de rétrécissement varient beaucoup selon l'essence, la partie du bois et le mode de séchage. Pour un usage réel en menuiserie ou en construction, suivez les indications des matériaux et les conseils de professionnels.