La Tour Eiffel grandit chaque été: découvrez pourquoi!

À l’origine, la structure que nous appelons aujourd’hui la Tour Eiffel était connue sous le nom de Tour de 300 mètres. Ce nom fut proposé par les ingénieurs Maurice Koechlin et Émile Nougier à Gustave Eiffel, qui supervisait la construction de la tour. Ce nom reflétait l’ambition de construire une œuvre remarquable, un exploit technologique qui établirait un nouveau record de hauteur.

Cependant, avec l’augmentation des températures durant les mois d’été, la Tour Eiffel s’élève au-delà de sa hauteur initiale.

Une structure en fer léger

La Tour Eiffel a été construite pour l’Exposition universelle de 1889, afin de célébrer le centenaire de la Révolution française.

Eiffel a choisi le fer puddlé pour sa construction, un matériau qu’il connaissait bien et qu’il avait déjà utilisé dans ses projets précédents avec de bons résultats. Ce matériau ferreux peut supporter des niveaux de contrainte élevés, ce qui a permis de construire une tour grande et très légère, résistante aux forces du vent horizontal.

Pour donner une idée de la légèreté de la tour, son poids de 7 300 tonnes est proche du poids du volume d’air qu’elle contient, soit environ 6 300 tonnes.

La Tour Eiffel était destinée à être un point d’observation privilégié, ainsi qu’une base pour la diffusion radio. La structure même de la tour est une immense structure en treillis triangulaire, semblable au viaduc de Garabit (également conçu par le bureau d’Eiffel) et au pont du Forth en Écosse, tous deux de la même époque.

Toutes ces structures s’allongent lorsque la température du matériau augmente. Cependant, contrairement aux ponts, qui se comportent de manière plus complexe, la Tour Eiffel subit principalement une croissance et une contraction verticales dues aux changements de température. Ce phénomène est connu sous le nom de dilatation thermique.

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Des matériaux qui se dilatent et se contractent

Nous savons que la plupart des solides se dilatent lorsque la température augmente et se contractent lorsqu’elle diminue. Cela est dû au fait que l’augmentation de la température provoque une plus grande agitation des atomes, ce qui entraîne un accroissement de la distance moyenne entre eux.

Selon la nature de la liaison, différents types de solides connaissent une dilatation plus ou moins grande, que les ingénieurs doivent mesurer avec précision. Les céramiques et les verres, avec des liaisons plus fortes, se dilatent moins que les métaux, qui à leur tour se dilatent moins que les polymères.

Alors, comment peut-on estimer l’amplitude du mouvement d’un solide? Lorsque les éléments sont droits – comme c’est le cas dans la plupart des travaux publics et des architectures, où prédominent les poutres et les barres – le mouvement est proportionnel à trois paramètres : la longueur de l’élément, le changement de sa température et le coefficient de dilatation du matériau.

À peine l’épaisseur d’un cheveu

De nombreux matériaux céramiques ont typiquement des coefficients de dilatation allant de 0,5×10⁻⁶ à 1,5×10⁻⁶ (°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 chiffres, qui peuvent sembler étranges, indiquent la croissance d’une unité de longueur standard lorsque la température augmente d’un degré Celsius.

Les matériaux les plus dilatables sont les polymères, qui se dilatent environ dix fois plus que les métaux, et les métaux se dilatent dix fois plus que les céramiques.

Le fer puddlé utilisé dans la Tour Eiffel, ainsi que 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 de long se dilate de 12×10⁻⁶ mètres lorsque la température augmente d’un degré. Cela représente seulement une douzaine de microns, moins que l’épaisseur d’un cheveu humain.

La chaleur a-t-elle donc un effet notable sur les bâtiments? Oui, si l’on prend 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 de Garabit mesure 565 m de long et le pont du Forth dépasse les 2,5 km de long. Aujourd’hui, il existe de nombreuses structures linéaires plus grandes, et la dilatation thermique affecte également les voies ferrées que de nombreux ponts sont conçus pour supporter.

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Il faut également analyser les plages de températures historiques. Paris enregistre des températures depuis plus de deux siècles, avec des minimums hivernaux en dessous de -20°C et des maximums estivaux autour de 40°C. Il faut aussi prendre en compte l’effet du rayonnement solaire – les métaux peuvent atteindre des températures bien plus élevées en plein soleil, souvent supérieures à 60°C ou 70°C.

Se pencher loin du soleil

Faisons maintenant les calculs. Estimons combien une simple barre métallique de 100 mètres de long se dilate lorsque la température fluctue de 100°C – la plage approximative que connaît la Tour Eiffel.

Le calcul est simple. Si une barre d’un mètre se dilate de 0.000012 mètres lorsque la température augmente d’un degré, une barre de 100 mètres se dilate de 0,12 mètres lorsque la température augmente de 100 degrés. Et une barre de 300 mètres se dilaterait trois fois plus : 0,36 mètres, soit 36 cm. C’est une différence notable.

Évidemment, une simple barre ne se comporte pas de la même manière qu’une tour faite de plus de 18 000 pièces de fer rivetées orientées dans toutes les directions. De plus, le soleil brille toujours sur l’un de ses côtés. Cela signifie que l’une de ses faces se dilate plus que les autres, provoquant une légère courbure de la tour, comme si elle se penchait loin du soleil.

Les spécialistes ont estimé que la Tour Eiffel s’agrandit effectivement de 12 à 15 centimètres lorsqu’on compare sa taille lors des journées froides d’hiver avec les jours les plus chauds de l’été. Cela signifie que, en plus d’être un monument, une tour de communication et un symbole de Paris elle-même, la Tour Eiffel est également, en quelque sorte, un immense thermomètre.