Pound-Force
Symbol: lbfUnited States, United Kingdom
Qu'est-ce qu'un/une Pound-Force (lbf) ?
Définition Formelle
Le pound-force (symbole : lbf) est une unité de force dans les systèmes impérial et américain. Il est défini comme la force gravitationnelle exercée sur une masse d'une livre avoirdupois (0,45359237 kg) sous la gravité standard (g_n = 9,80665 m/s²). Par conséquent : 1 lbf = 0,45359237 kg × 9,80665 m/s² = 4,44822162 N (environ 4,448 N).
Le pound-force est l'unité de force la plus couramment utilisée aux États-Unis pour les applications d'ingénierie, les spécifications de produits et les mesures quotidiennes. Il apparaît dans les spécifications pour tout, des forces de ressort et des résistances des matériaux aux poussées de fusée et aux charges structurelles. En anglais américain courant, "pounds" en référence au poids signifie en réalité pounds-force.
Confusion entre Masse et Force
La plus grande source de confusion du système anglais est l'utilisation duale du "pound" pour la masse (lbm, livre-masse) et la force (lbf, pound-force). À la surface de la Terre sous la gravité standard, un objet d'une livre-masse exerce exactement une pound-force de force gravitationnelle. Cette égalité numérique pratique sur Terre masque une distinction physique fondamentale qui cause des erreurs lors de travaux dans des conditions gravitationnelles non standard ou dans des calculs d'ingénierie précis.
Etymology
Racines Historiques
Le mot "pound" dérive du latin "libra pondo", où "libra" signifiait une balance ou une échelle et "pondo" signifiait un poids. L'anglais a emprunté les deux parties : "pound" de "pondo" et l'abréviation "lb" de "libra". La phrase latine signifiait littéralement "une livre par poids", et le mot a été associé au poids (force) plutôt qu'à la masse tout au long de son histoire.
Le suffixe "-force" a été ajouté pour créer "pound-force" en tant que terme technique formel afin de distinguer l'unité de force de l'unité de masse (pound-mass). Cette désambiguïsation est devenue nécessaire à mesure que la physique a progressé et que la distinction entre masse et force (poids) est devenue scientifiquement importante. En anglais informel, dire simplement "pounds" fait généralement référence à pounds-force lorsqu'il s'agit de poids.
Système Avoirdupois
Le pound-force est basé sur la livre avoirdupois, qui est devenue la livre commerciale standard dans les pays anglophones depuis le 14ème siècle. "Avoirdupois" vient de l'ancien français "aveir de peis" (biens de poids). La livre avoirdupois a été définie comme exactement 0,45359237 kg par accord international en 1959.
Precise Definition
Définition Internationale
Le pound-force est défini comme la force de gravité sur une livre avoirdupois de masse sous l'accélération gravitationnelle standard : 1 lbf = 1 lb × g_n = 0,45359237 kg × 9,80665 m/s² = 4,4482216152605 N. Cette définition est exacte, car la livre-masse et la gravité standard sont définies par des valeurs exactes.
Conversions Clés
1 lbf = 4,44822 N = 0,00444822 kN = 0,453592 kgf = 444,822 dynes = 32,174 poundals = 16 ounce-force. Aussi : 1 kip = 1000 lbf = 4448,22 N, et 1 ton-force (court) = 2000 lbf = 8896,44 N.
Dans les Équations d'Ingénierie
Dans le système américain, la deuxième loi de Newton est écrite comme F = ma/g_c, où g_c = 32,174 lbm·ft/(lbf·s²) est une constante de conversion. Cette constante est nécessaire car le système utilise des pounds pour la masse et la force. Alternativement, en utilisant le slug (1 slug = 32,174 lbm) comme unité de masse, on élimine la constante de conversion : F (lbf) = m (slugs) × a (ft/s²).
Histoire
Des Poids Anciens à la Force Moderne
Le concept de la livre en tant que poids (force) remonte à l'époque romaine. La "libra" romaine était une unité de poids utilisée dans tout l'empire. Après la chute de Rome, la livre a évolué différemment à travers l'Europe. En Angleterre, plusieurs systèmes de livres ont coexisté jusqu'à ce que la livre avoirdupois devienne dominante pour les marchandises commerciales au 14ème siècle. La livre de Troy a survécu pour les métaux précieux et les pierres précieuses.
Jusqu'au 20ème siècle, la distinction entre masse et force n'était pas importante dans l'ingénierie pratique. Les ingénieurs parlaient de "pounds" sans avoir besoin de spécifier la masse ou la force car, à la surface de la Terre, les valeurs numériques sont identiques. Le pound-force en tant qu'unité formellement distincte n'est apparu que lorsque la physique a exigé une précision concernant la distinction masse-force.
Normalisation
L'accord international sur le yard et la livre de 1959 a défini la livre avoirdupois comme exactement 0,45359237 kg, ce qui a à son tour défini précisément le pound-force comme 4,4482216152605 N. Avant cet accord, les livres américaines et britanniques différaient d'environ deux parties par million — une différence négligeable qui compliquait néanmoins les mesures de précision.
Le Slug et le Poundal
Deux approches alternatives pour résoudre l'ambiguïté masse-force dans les unités anglaises ont été proposées. Le système slug a conservé la livre comme unité de force et défini une nouvelle unité de masse (le slug = 14,594 kg) de sorte que F(lbf) = m(slugs) × a(ft/s²). Le système poundal a conservé la livre comme unité de masse et défini une nouvelle unité de force (le poundal = 0,13826 N) de sorte que F(pdl) = m(lb) × a(ft/s²). Le système slug est devenu standard dans l'ingénierie américaine ; le poundal est désormais essentiellement éteint.
Utilisation Moderne
Le pound-force reste l'unité de force dominante dans la pratique de l'ingénierie américaine. Bien que certaines disciplines d'ingénierie américaines (notamment l'aérospatiale, après le Mars Climate Orbiter) aient adopté des unités SI, la grande majorité de l'ingénierie civile, mécanique et structurelle aux États-Unis continue d'utiliser des pounds-force et des kips (milliers de pounds-force) comme unités de force principales.
Utilisation actuelle
Pratique d'Ingénierie aux États-Unis
Le pound-force est l'unité de force principale dans l'ingénierie américaine. Les ingénieurs structurels calculent les charges et les capacités des membres en pounds-force ou en kips (1 kip = 1000 lbf). Les ingénieurs mécaniques spécifient les forces de ressort, les charges de roulement et les précharges de fixations en lbf. Les ingénieurs HVAC utilisent lbf/in² (psi) pour la pression. Ces pratiques sont codifiées dans les normes de l'AISC, de l'ASME, de l'ASHRAE et d'autres organisations.
Spécifications des Matériaux
Les résistances des matériaux aux États-Unis sont exprimées en pounds par pouce carré (psi) ou en kips par pouce carré (ksi). L'acier structurel courant (A36) a une résistance à la traction de 36 ksi (36 000 psi ou 248 MPa). La résistance à la compression du béton est généralement de 3 000 à 8 000 psi (21 à 55 MPa). Les résistances des câbles et des cordes sont données en pounds-force de charge de rupture ou de travail.
Produits de Consommation
De nombreux produits de consommation aux États-Unis affichent des spécifications de force en pounds : capacité de la balance à bagages (50–100 lbf), résistance de la ligne de pêche (4–80 lbf), charge de travail de la corde (200–10 000 lbf), capacité du tiroir (50–200 lbf) et résistance de la charnière de cabinet (5–20 lbf par charnière). Les balances à ressort, les balances à poissons et les balances à bagages mesurent en pounds-force.
Automobile et Aérospatiale
Les spécifications automobiles américaines utilisent lbf pour les taux de ressort (lbf/in), la force de freinage et les cotes de remorquage. Les spécifications aérospatiales expriment la poussée en lbf : un moteur de chasse Pratt & Whitney F100 produit environ 29 000 lbf avec postcombustion. Le moteur principal RS-25 de la navette spatiale a produit 512 300 lbf au niveau de la mer.
Everyday Use
Poids Corporel
Lorsque les Américains disent qu'ils pèsent "150 pounds", ils expriment leur poids en pounds-force — la force gravitationnelle sur leur corps. Une balance de salle de bain calibrée en pounds mesure en réalité des pounds-force. Sur la Lune, la même personne enregistrerait environ 25 pounds sur la balance, mais sa masse (150 pound-mass) resterait inchangée.
Pression (PSI)
Les pounds par pouce carré (psi = lbf/in²) sont omniprésents dans la vie quotidienne américaine. La pression des pneus est spécifiée en psi (généralement 30–35 psi pour les voitures de tourisme). La pression artérielle est mesurée en mmHg mais parfois discutée dans le contexte des psi. Les nettoyeurs haute pression sont évalués en psi (1 500–4 000 psi pour les unités résidentielles). Les bouteilles de plongée sont pressurisées à 3 000–3 500 psi.
Résistance et Capacité
Les évaluations de charge des produits aux États-Unis utilisent des pounds-force : capacité de rayonnage (50–200 lbs par étagère), évaluations de poids des échelles (200–375 lbs), limites de poids des équipements d'exercice (250–400 lbs) et capacités des rampes pour fauteuils roulants (600–1 000 lbs). Comprendre ces évaluations est important pour la sécurité — dépasser la capacité nominale risque de défaillance structurelle.
Pêche
La ligne de pêche est évaluée par sa résistance à la rupture en pounds-force : lignes ultralégères à 2–6 lbf, lignes d'eau douce typiques à 6–20 lbf, lignes d'eau salée à 20–80 lbf et lignes de gros gibier à 80–200+ lbf. Les systèmes de frein des moulinets de pêche sont réglés en pounds-force, et les poissons sont pesés en pounds-force sur des balances à ressort ou électroniques.
In Science & Industry
Mécanique d'Ingénierie (États-Unis)
Dans l'éducation et la pratique de l'ingénierie aux États-Unis, le pound-force est utilisé dans les calculs de statique, de dynamique et de résistance des matériaux. Le poids d'un objet est W = mg/g_c (en lbf), où m est en lbm, g est l'accélération gravitationnelle locale en ft/s², et g_c est la constante de conversion 32,174 lbm·ft/(lbf·s²). Utiliser des slugs pour la masse simplifie cela à W = mg.
Analyse Structurelle
Les codes d'ingénierie structurelle américains (ASCE 7 pour les charges, AISC 360 pour l'acier, ACI 318 pour le béton) utilisent des pounds-force et des kips tout au long. Les charges de conception sont spécifiées en pounds par pied carré (psf) : charges de vie des étages résidentiels typiquement 40 psf, charges de bureaux 50 psf, charges de garages 40–50 psf. Les pressions du vent sont en psf, et les forces sismiques en kips.
Mécanique des Fluides
Dans la pratique de la mécanique des fluides aux États-Unis, la pression est exprimée en lbf/in² (psi) ou lbf/ft² (psf). Une atmosphère équivaut à 14,696 psi. Les forces fluides sur les surfaces, les forces de traînée sur les véhicules et les forces de portance sur les profils aérodynamiques sont calculées en pounds-force. Le coefficient de traînée est sans dimension, mais la force de traînée elle-même est en lbf lorsqu'on utilise des unités américaines.
Interesting Facts
The Mars Climate Orbiter was destroyed in 1999 because Lockheed Martin provided thruster data in pound-force-seconds while NASA's software expected newton-seconds. The 4.45:1 conversion error caused a $327.6 million spacecraft to approach Mars too closely and disintegrate.
When you stand on a bathroom scale reading '150 lbs,' the scale is actually measuring 150 pounds-force — the gravitational pull on your body. On the Moon, the same scale would read about 25 lbs, but your mass would still be 150 pound-mass.
The pound-force and pound-mass have equal numerical values on Earth's surface by design, not by coincidence. The standard gravity value (32.174 ft/s²) was chosen specifically to make this true, simplifying everyday engineering calculations.
A kip (1,000 pounds-force) gets its name from 'kilo-pound' — a hybrid of the Greek prefix and the English unit. It is used extensively in US structural engineering to avoid writing thousands of pounds.
The poundal — a unit of force where F(pdl) = m(lb) × a(ft/s²) — was an attempt to create a coherent FPS system without the mass-force confusion. It equals about 0.138 N and is now essentially extinct in practice.
A standard barbell plate marked '45 lbs' actually weighs 45 pounds-force on Earth. In a space station gym (if one existed), you could bench-press it effortlessly, but its mass of 45 pound-mass would still resist acceleration.