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La science derrière le verre pare-balles – Maintenant. Propulsé par Northrop Grumman

La science derrière le verre pare-balles – Maintenant.  Propulsé par Northrop Grumman

PAN! Le coup de feu retentit. Et la balle rebondit sans danger. Comment? Verre spécialement conçu pour empêcher la pénétration de projectiles.

Mais ce brillant bloqueur ne s’est pas produit du jour au lendemain. Il a fallu des années de recherche, de risques et d’efforts répétés pour créer une substance capable d’arrêter les balles. Pour comprendre la force, décomposons la science de la construction de barrières pare-balles.

Comment fonctionne le verre pare-balles ?

Également connue sous le nom de verre balistique, verre de sécurité ou verre de sécurité, cette barrière pare-balles tire son nom – vous l’avez deviné – de la capacité d’arrêter les balles.

Mais comment fonctionne le verre pare-balles ? Le principe est assez simple : là où le verre typique se brise en éclats lors de l’impact d’une balle ou d’un autre objet dur, son homologue pare-balles se couche sur des matériaux tels que le butyral de polyvinyle (PVB), le polyuréthane (PU) ou l’acrylique qui permettent d’absorber une quantités d’élan de balle et empêchent les tirs de passer. Un verre plus épais aide également à réduire le risque de pénétration d’objets. Alors que les vitres de voiture standard ont une épaisseur d’environ 3 mm, le verre pare-balles peut avoir une épaisseur de 10 mm (ou plus) par feuille.

À noter : plus il y a de couches ajoutées, plus le risque de distorsions optiques dans le verre est grand, ce qui réduit à son tour la quantité de lumière laissée entrer et la clarté des images. Il est également important de noter que le processus de stratification est essentiel pour que le verre offre son potentiel d’arrêt de balle. Les bulles d’air entre le verre et les couches acryliques, PVB ou PU peuvent affaiblir la liaison et réduire l’efficacité du produit fini.

L’histoire de la construction d’une meilleure barrière

La notion d’une barrière presque incassable a commencé avec des morceaux de verre en forme de têtard connus sous le nom de Prince Rupert’s Drops. Ceux-ci ont gagné en popularité au 17ème siècle lorsqu’ils ont été donnés au roi Charles d’Angleterre par le prince Rupert d’Allemagne. Fabriquées en jetant des morceaux de verre fondu chauffés au rouge dans l’eau, ces gouttes ont deux propriétés inhabituelles. Si vous écrasez la tête de la goutte avec un marteau ou tirez dessus avec une balle, elle ne se cassera pas. Alternativement, pliez la fine queue avec vos doigts et toute la goutte se désintègre.

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Bien que les gouttes existent depuis des siècles, il a fallu attendre 2017 pour comprendre pleinement les forces à l’œuvre. Cela a commencé avec des recherches de 1994, qui ont révélé que les gouttes sont dans un état «d’équilibre instable» qui voit la surface de la tête sous une contrainte de compression élevée, tandis que l’intérieur est sous une tension massive. Puis, en 2017, les scientifiques ont découvert que ce contrainte superficielle était beaucoup plus élevé qu’on ne le croyait initialement. Des expériences ont rapporté la contrainte de compression à 700 mégapascals, soit près de 7 000 fois la pression atmosphérique standard. En raison de cette contrainte, il est presque impossible de casser une goutte en frappant la tête, car toute fissure créée se développera simplement parallèlement à la surface au lieu de pénétrer dans la zone de tension. Frapper la queue, quant à lui, fournit un chemin vers la zone de tension intérieure qui à son tour perturbe l’équilibre instable et détruit la gouttelette.

En 1903, une autre approche pour créer des bloqueurs de balles a été découverte par Edouard Benedictus, un chimiste français. L’histoire (peut-être apocryphe) dit que Benedictus a accidentellement laissé tomber une fiole de verre sur le sol pendant qu’il travaillait, mais au lieu de se briser, le verre s’est simplement fissuré. Pourquoi la sauvegarde ? Parce que le flacon contenait une solution de nitrate liquide, qui recouvrait la paroi intérieure d’une fine couche de plastique, permettant à la force de la goutte d’être répartie plutôt que concentrée en un seul point. La combinaison de ces deux techniques – la trempe du verre et la stratification chimique – a ouvert la voie au développement de matériaux pare-balles au cours des XIXe et XXe siècles.

Aujourd’hui le marché du verre pare-balles vaut plus de 6 milliards de dollars dans le monde.

La science de l’arrêt des tirs

La force est égale à la masse multipliée par l’accélération. Alors que les balles n’ont pas grand-chose dans la catégorie “masse”, elles ont beaucoup d’accélération. En conséquence, ils ont une quantité substantielle de force concentrée dans une très petite zone. Et lorsque cette force rencontre un objet rigide – comme le verre – elle a tendance à se briser avec peu de résistance. En pratique, cela signifie qu’une balle tirée sur une fenêtre de voiture ou de maison standard n’a aucun problème à passer. Bien que des processus tels que la trempe et le laminage du verre puissent aider à réduire le risque d’éclats dentelés aléatoires, le verre lui-même ne constitue pas une barrière contre les balles.

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Pendant ce temps, le verre pare-balles cherche à répartir plus efficacement la force transmise.

Envisagez d’attraper une balle venant vers vous à grande vitesse. Si vous gardez votre main immobile et attrapez le ballon quand il arrive, il y a de fortes chances que ça fasse mal. Pourquoi? Parce que toute la force portée par le ballon est directement transférée dans votre main. Mettez quelques paires de gants pelucheux et cela ne fera pas autant mal car le matériau de chaque paire absorbe et distribue une partie de la force avant qu’elle n’atteigne votre main. Permettez à votre main de se déplacer avec le ballon lorsqu’il arrive, et la force est encore réduite puisque vous ralentissez le ballon sur une plus grande distance.

Les barrières pare-balles fonctionnent sur le même principe. En superposant des feuilles de verre plus épaisses avec des couches de PVB, de PU ou d’acrylique, la force portée par la balle est répartie sur une plus grande surface plutôt qu’en un seul point. Et en augmentant l’épaisseur du verre, la balle ralentit naturellement sur une plus grande distance.

Cela ne veut pas dire que le verre ne subit pas de dommages. Regardez une vidéo de tests pare-balles sur des voitures et vous verrez une foule de fissures et d’éclats dans le verre, mais les balles ne passeront pas. Le type et la quantité de balles bloquées dépendent de la fabrication du verre et du nombre de couches utilisées. Pour aider à normaliser les cotes de protection du verre, l’Underwriter’s Laboratory (UL) a créé un Échelle à 10 niveaux:

  • Niveau 1 – Peut arrêter trois balles d’armes de poing de petit calibre (9 mm).
  • Niveau 2 – Peut arrêter trois balles d’armes de poing de gros calibre (.357).
  • Niveau 3 – Peut arrêter trois balles de pistolets plus gros tels que des magnums .44.
  • Niveau 4 – Peut arrêter une balle d’un fusil de calibre .30.
  • Niveau 5 – Peut arrêter une balle d’un fusil tirant une cartouche entièrement métallique de 7,62 mm.
  • Niveau 6 – Peut arrêter cinq balles d’armes de poing de petit calibre.
  • Niveau 7 – Peut arrêter cinq balles d’un fusil de 5,56 mm.
  • Niveau 8 — Peut arrêter cinq cartouches entièrement métalliques d’un fusil de 7,62 mm.
  • Niveau 9 — Peut arrêter une balle perforante d’un fusil .30-06.
  • Niveau 10 – Peut arrêter une balle d’un fusil de calibre .50.
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Nouvelles approches pour arrêter les balles courtes

En plus des balles, le verre balistique arrêtera également les impacts contondants. En conséquence, le verre de protection est maintenant utilisé dans une grande variété d’applications de protection. Par exemple, les fenêtres pare-balles sont courantes sur les véhicules militaires ou des forces de l’ordre et sont souvent utilisées dans les bâtiments gouvernementaux, les banques et même les écoles. Pendant ce temps, l’amélioration des processus de production et la réduction des coûts ont rendu ces barrières viables pour des sites tels que les arènes ou les stades afin de protéger le personnel des foules indisciplinées.

De nouvelles approches sont également à l’horizon pour cette technologie. Des céramiques synthétiques au poids réduit mais au même pouvoir d’arrêt que le verre sont actuellement testées — par exemple, le Armée de l’air américaine teste actuellement une céramique composée d’oxynitrure d’aluminium (ALONtm) pour une utilisation dans des véhicules contre des armes perforantes. Des travaux sur les lames d’air sont également en cours. Au lieu d’éliminer ces espaces, cette approche cherche à créer une couche d’espace d’air cohérente entre une feuille de verre feuilleté et une feuille de polycarbonate. La couche de verre dur déforme la balle, l’entrefer offre une certaine résistance et la couche de polycarbonate arrête alors la balle. Cette approche offre une réduction de poids de 35 % par rapport aux options pare-balles traditionnelles.

Barrières balistiques ? Les scientifiques ont déchiffré le code avec du verre pare-balles – mais il y a toujours de la place pour une meilleure construction de bloqueur.

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