Pourquoi les planches en bois gauchissent-elles toujours dans le même sens ?
― Un menuisier le devine juste en regardant les cernes sur la coupe
Une planche à découper, une étagère, un plancher : après quelques années d'usage, tous gauchissent un peu. Ce n'est pas au hasard. Ils se courbent presque toujours dans le sens où l'arc des cernes s'aplatit. Car en séchant, le bois se contracte deux fois plus dans un sens que dans l'autre.
Vous aviez laissé la planche à découper de la cuisine appuyée contre le mur pendant un moment. En la reposant sur le plan de travail, le milieu se soulève et elle cliquette quand on appuie dessus.
En la retournant, elle retrouve sa place parfaitement. Le gauchissement se creuse toujours du même côté.
Le menuisier n'a qu'à jeter un coup d'œil sur la tranche de la planche pour dire « ça, c'est le dessus ». Comment le sait-il d'un simple regard ?
Il n'y a que deux raisons
Quand le bois sèche et se contracte, le sens qui suit les cernes se rétracte environ deux fois plus que le sens qui va du centre vers l'extérieur. Dans le sens de la longueur, il ne se contracte presque pas.
Une planche découpée dans une bille de bois a des cernes orientés différemment sur sa face et sur son dos. Le côté qui se contracte le plus est tiré plus fort, et la planche se courbe en arc.
En combinant ces deux faits, le sens du gauchissement est fixé dès le départ. Voyons cela dans l'ordre.
Dans quel sens, et de combien, le bois se contracte-t-il ?
Le bois est construit comme un faisceau de fines pailles. Chaque paille est une cellule qui transportait l'eau. Les parois de ces cellules sont imbibées d'une grande quantité d'eau.
Quand le bois sèche, l'eau à l'intérieur des pailles s'évacue en premier. Pendant ce temps, la taille du bois change à peine, car seul le contenu diminue.
Mais une fois cette eau interne épuisée, si le séchage continue, c'est l'eau contenue dans la paroi même des cellules qui s'échappe. Les parois s'amincissent, et le bois tout entier commence à se contracter. Ce point de bascule s'appelle le point de saturation des fibres.
C'est là que ça devient intéressant. La contraction diffère fortement selon le sens. Regardez la partie gauche de la figure 1. Sur la coupe d'une bille de bois, les cernes sont disposés en cercles concentriques.
Le sens qui suit la courbe des cernes s'appelle le sens tangentiel, et celui qui va du centre vers l'extérieur, le sens radial. Pour un même bois, le sens tangentiel se contracte environ deux fois plus que le sens radial.
Cette différence vient des rangées de cellules qui partent en rayons du centre vers l'extérieur du bois : le tissu radial. Elles soutiennent le bois comme des étais dans le sens qui va vers l'extérieur.
Voilà pourquoi le sens du gauchissement est fixé dès le départ
Quand on découpe une planche dans une bille, les cernes y dessinent des arcs. C'est ce que montre la partie droite de la figure 1. Le côté où l'arc bombe est celui qui était à l'extérieur de la bille. On l'appelle la face, et le côté opposé, tourné vers le cœur de l'arbre, le dos.
Du côté de la face, les cernes sont presque parallèles à la surface de la planche : c'est le sens tangentiel, celui qui se contracte le plus. Du côté du dos, on est plus proche du sens radial, donc la contraction est plus faible.
Si un seul côté de la planche se contracte fortement, la planche se courbe en mettant le côté contracté à l'intérieur. C'est ainsi qu'elle gauchit dans le sens où l'arc des cernes s'aplatit. La face devient le côté qui se creuse.
Le menuisier regarde la tranche pour vérifier le sens de cet arc. Pour poser un plancher, on place la face vers le haut. Si le dessus se creuse légèrement, les bords de la planche sont poussés vers le bas, ce qui l'empêche de se soulever.
Si l'on découpe la planche en passant par le centre de la bille, le sens radial est le même partout sur la surface de la planche. La face et le dos se contractent alors presque autant, donc elle gauchit très peu. On appelle cette coupe le débit sur quartier. C'est plus cher, car on n'en tire qu'une faible quantité par bille.
Cette contraction n'est pas un dommage irréversible. Pendant les saisons humides, le bois reprend de l'eau et regonfle. C'est pour la même raison que les cloisons coulissantes ou les shoji glissent avec plus ou moins de résistance selon l'été ou l'hiver.
En résumé
Le bois se contracte différemment selon le sens, et c'est le sens qui suit les cernes qui se contracte le plus. Comme cette différence existe entre la face et le dos d'une planche, elle gauchit dans le sens où l'arc des cernes s'aplatit. Le sens étant fixé d'avance, on peut le prévoir en regardant simplement la tranche.
Une planche ne se courbe pas au hasard.
Elle suit, tout simplement, le plan tracé par ses cernes.
La formation même des cernes est expliquée dans « Pourquoi les arbres forment-ils un seul cerne par an ? », et la sagesse d'abattre le bois en hiver pour réduire son humidité dans « Pourquoi abat-on les arbres entre l'automne et l'hiver ? ». Ce savoir-faire de lire le grain existe aussi pour la pierre : « 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 du gauchissement de la planche. Elle devrait gauchir dans le sens où l'arc s'aplatit.
- Trempez une baguette jetable dans l'eau pendant 30 minutes, puis laissez-la sécher à plat pendant une journée. La baguette, qui était droite, se courbe légèrement.
Le bois lamellé-collé et le contreplaqué contrent ce mouvement en collant les couches dans des sens alternés. Pour observer le gauchissement, choisissez une planche massive.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu niveau collège jusqu'aux matières spécialisées universitaires, 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 approfondi du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière spécialisée universitaire (résistance des matériaux, science du bois)
- RecherchePas encore une « vérité établie » enseignée à l'université, mais un sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Taux d'humidité : le poids d'eau contenu dans le bois, divisé par le poids du bois complètement séché. Pour du bois vert, il peut dépasser 100.
- Point de saturation des fibres : le seuil où l'eau des cavités cellulaires a disparu et où l'eau des parois cellulaires commence à s'échapper. Pour beaucoup d'essences, on l'estime à un taux d'humidité d'environ 30. Au-delà de ce seuil, le bois se contracte.
- Face et dos : sur la tranche, la face est le côté vers lequel l'arc des cernes bombe. Elle correspond au côté qui était à l'extérieur de la bille. Le côté opposé, tourné vers le cœur de l'arbre, est le dos.
CollègeLycéeVérifions par le calcul : de combien gauchit une planche de 15 centimètres de large ?
Si la face et le dos d'une planche se contractent différemment, la planche se courbe en arc. On calcule ici le soulèvement au milieu. C'est le même principe que l'aiguille d'un thermomètre à lame bimétallique qui se courbe.
| En symboles | δ ＝ (αt − αr) × ΔU × W² ÷ (8 × h) |
| En mots | hauteur du gauchissement ＝ (différence entre les taux de contraction 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 la déformation diffère entre la face et le dos d'une planche, celle-ci prend la forme d'un arc de cercle de courbure constante. Cette courbure est donnée par « différence de déformation entre les deux faces ÷ épaisseur ». La hauteur au milieu d'un arc de cercle vaut « courbure × largeur au carré ÷ 8 ». La formule relie ces deux résultats. |
| Largeur de la planche W | 150 mm |
| Épaisseur de la planche h | 15 mm |
| Taux de contraction tangentiel αt | 0,0025 par unité d'humidité (valeur repère pour le sugi) |
| Taux de contraction radial αr | 0,0012 par unité d'humidité (valeur repère pour le sugi) |
| Variation du taux d'humidité ΔU | de 20 à 10, soit 10 |
Lecture des symboles. Toutes les unités sont ramenées au millimètre. Le taux de contraction est un nombre sans unité qui indique « de quelle fraction le bois se contracte à chaque baisse d'une unité d'humidité ».
| Différence des taux de contraction | 0,0025 − 0,0012 ＝ 0,0013 |
| Différence de déformation face/dos | 0,0013 × 10 ＝ 0,013 |
| Largeur de la planche au carré | 150 × 150 ＝ 22500 |
| Numérateur regroupé | 0,013 × 22500 ＝ 292,5 |
| Dénominateur (8 fois l'épaisseur) | 8 × 15 ＝ 120 |
| Hauteur du gauchissement δ | 292,5 ÷ 120 ≒ 2,4 |
③ Traduisons cela en sensations concrètes. Pour une planche de 15 centimètres de large, le milieu se soulève de 2,4 millimètres. Cela correspond à peu près à l'épaisseur de deux pièces de 10 yens empilées. C'est largement suffisant pour faire cliqueter une planche à découper. La formule montre aussi qu'épaissir la planche réduit le gauchissement, alors qu'élargir la planche l'augmente très fortement.
LycéeLycée+D'où vient cette différence de contraction ?
LycéeLe principal composant des parois cellulaires est la cellulose, dont les longues molécules sont regroupées en faisceaux. L'eau pénètre difficilement dans le sens des faisceaux, mais entre et sort facilement dans le sens perpendiculaire. C'est pourquoi le bois ne se contracte presque pas en longueur, mais se contracte en largeur.
Lycée+Le rapport entre les taux de contraction tangentiel et radial est appelé, dans le domaine du bois, le rapport T/R. Il vaut environ 2 pour beaucoup d'essences. On explique que ce qui retient le sens radial, c'est le tissu radial et la structure en couches alternées de bois d'été et de bois de printemps. Le bois d'été, partie sombre des cernes, est plus dense et retient les parties fines qui tendent à se contracter.
UniversitéLe bois est traité comme un matériau orthotrope
Le bois est traité comme un matériau orthotrope, dont les trois axes principaux — longitudinal, radial et tangentiel — sont mutuellement perpendiculaires. Pour décrire son élasticité, les deux constantes utilisées pour un matériau isotrope ne suffisent pas : il faut neuf constantes indépendantes. Ce cadre est commun avec la mécanique des matériaux composites, et utilise les mêmes mathématiques que la conception des plastiques renforcés de fibres. La déformation due au séchage se résout avec une formule de même forme que celle de la dilatation thermique, en donnant le taux de contraction comme coefficient en fonction du taux d'humidité.
📖 Contexte du vocabulaire et approfondissements : Anisotropie (Wikipédia japonais) ／ Bois (matériau) (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore totalement élucidé
- Pourquoi le rapport avoisine-t-il 2 ? On observe une tendance : plus le tissu radial est abondant, plus le rapport est faible. Mais cette seule quantité n'explique pas tous les cas observés. La part de la structure en couches reste en cours d'analyse.
- Les contraintes internes qui subsistent après séchage. Quand la surface sèche et durcit avant l'intérieur, des contraintes restent piégées dans la planche. Les prédire précisément par le calcul numérique reste, aujourd'hui encore, un problème difficile.
- Les déformations qui s'accumulent au fil des ans. À force de cycles d'humidification et de séchage, une déformation qui ne revient jamais complètement à la forme initiale s'accumule. Le mécanisme n'en est pas totalement expliqué.
Autrement dit, le contenu de cet article est lui aussi « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Les valeurs numériques varient beaucoup selon l'essence et la pièce de bois : à lire comme des ordres de grandeur.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie de l'article concernée |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・structure des plantes／changements d'état | Parois cellulaires, eau, contraction au séchage |
| Lycée | Physique de base・forces et déformation／chimie de base・polymères | Déformation et courbure, orientation de la cellulose |
| Lycée+ | Physique・dilatation thermique et poutres | Principe de la courbure des bilames |
| Université | Résistance des matériaux・science du bois | Orthotropie, coefficients de contraction |
| Recherche | Physique du bois | Origine du rapport, contraintes résiduelles, déformation cumulée |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Sens de pose des planches à découper, planchers, étagères |
- Bois (matériau) (Wikipédia japonais) ― aperçu de la structure, du taux d'humidité et des modes de débit
- Sous la direction du Forestry and Forest Products Research Institute (森林総合研究所), Manuel de l'industrie du bois (『木材工業ハンドブック』), Maruzen Publishing ― taux de contraction par essence et point de saturation des fibres
- Société japonaise des sciences du bois (日本木材学会) (dir.), Manuel des sciences du bois (『木質科学ハンドブック』), Asakura Shoten ― anisotropie du bois et déformation au séchage
- Fushitani Masayoshi (伏谷賢美) et al., Physique du bois (『木材の物理』), Bun-eido Shuppan ― anisotropie de la contraction et rôle du tissu radial
- Anisotropie (Wikipédia japonais) ― notion de 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 estimations pour comprendre le mécanisme. Les taux de contraction varient fortement selon l'essence, la pièce de bois et la méthode de séchage. Pour tout travail réel du bois ou de construction, suivez les indications des matériaux et l'avis de professionnels.