../s3_ae.gif Ligne Maginot - Effet mécanique Hopkinson. Document réalisé grâce à l'aide technique du Colonel d'Artillerie Roland Gras que nous remercions vivement et à divers documents du SHAT, de l'ENS Cachan et de Bernard, Evelyne et Raymond Cima ©2000-2015.
Duel : arme contre cuirasse

Le duel : arme contre cuirasse

De tout temps l'avenir des fortifications (cuirasses) a été intimement lié aux armes existantes (duel : arme contre cuirasse). On crée une première fortification qui résiste à une première arme. Du coup la fortification entre dans la stratégie de défense et devient florissante. Puis on crée une deuxième arme qui perce la fortification. Cette dernière devient obsolète et est momentanément reléguée au second plan, voire abandonnée. Puis, la technologie aidant, apparaît une nouvelle fortification qui résiste à la deuxième arme et la fortification renaît. etc.

Grande Guerre et fortifications

Au lendemain de la guerre de 14-18, les fortifications, délaissées en 1915, ont le vent en poupe, entre autres grâce à leur résistance victorieuse à Verdun. Aussi tous les pays vont-ils vouloir en construire, d'autant plus que les préférences de l'opinion publique, surtout après une guerre très meurtrière, penchent souvent plus vers la défensive que vers l'agressivité.

Nouvelle fortification

Mais avant de construire du neuf on étudie le potentiel des armes existantes, le but étant qu'elles ne neutralisent ni le personnel ni les installations intérieures des futures fortifications.

Classiquement, les actions des armes sont de deux types :
-action directe de leurs projectiles, après pénétration dans la forteresse,
-action indirecte, par pénétration du contenu des projectiles (gaz toxiques...) ou par leurs effets physiques (souffle d'explosion, effet mécanique Hopkinson...)

Objet de notre document
Dans ce document nous nous intéresserons tout particulièrement à l'effet mécanique Hopkinson ; pas à celui électromagnétique de John Hopkinson, bien connu des physiciens, mais à celui mécanique de Bertram Hopkinson (le fils du précédent) mis en évidence à la suite d'un choc sur la paroi d'un objet.
Effet mécanique Hopkinson
Constat

L'effet mécanique Hopkinson

Constat

Deux hommes se croient bien protégés derrière une épaisse couche de béton ou d'acier. Tout à coup arrive un obus qui NE PERCE PAS la paroi. Cependant...
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Explications

Explications

photos/hopk_0.gif-2 hommes se croient bien protégés derrière une épaisse couche de béton ou d'acier. Tout à coup arrive un obus...
photos/hopk_1.gif-L'obus explose sans pénétrer dans l'obstacle. Mais il crée un train d'ondes de choc.
photos/hopk_2.gif-Le train d'ondes de compression (et la déformation élastique associée) se propage, telles les ondes P des tremblements de terre, jusqu'à l'intérieur de la casemate.
Rappels à propos des ondes
-Une onde qui arrive à l'interface entre 2 milieux se divise en 2 ondes : l'une, réfléchie, rebrousse chemin dans le milieu d'origine et l'autre, réfractée, se propage dans le nouveau milieu.

-Deux ondes qui se rencontrent interfèrent et les forces qu'elles véhiculent s'ajoutent vectoriellement. (En d'autres termes, peuvent cumuler leurs effets ou les réduire jusqu'à les annuler).

Suite des explications
photos/hopk_3.gif-Arrivée dans la casemate, au changement de milieu entre le béton (ou l'acier) et l'air, chaque onde donne naissance à deux nouvelles ondes ; l'une, réfractée, poursuit son chemin dans l'air intérieur du local (et génère du bruit), l'autre est réfléchie dans le matériau.
photos/hopk_4.gif-Les ondes réfléchies, en rebroussant chemin, interfèrent avec les autres ondes, qui continuent d'arriver, et créent des contraintes qui, en certains points, dépassent la limite de résistance mécanique du béton (ou de l'acier). C'est l'effet mécanique Hopkinson.
photos/hopk_5.gif-Le béton (ou l'acier) se rompt. Un ménisque se détache de la paroi.
photos/hopk_6.gif-Le ménisque est projeté sur les hommes d'équipage. Parfois le ménisque se fragmente et donne une grêle encore plus dangereuse, car plus largement étalée.
photos/hopk_7.gif-On constate que le béton (ou l'acier) n'est pas percé.
photos/hopk_8.gif-On constate que l'obus n'a pas pénétré dans la casemate.
photos/hopk_9.gif-Malgré la résistance de la paroi les hommes sont tués et le matériel endommagé !
photos/hopk_10.gif-Ni l'épaisseur de la paroi, ni sa résistance au percement, ne peuvent contrer l'effet mécanique Hopkinson.
photos/hopk_11.gif-La munition n'a pas besoin d'être spéciale, il lui suffit de frapper la paroi.
photos/hopk_12.gif-L'effet est, bien sûr, le même lorsqu'il s'agit d'une dalle sur laquelle explose une bombe. Toutes les parois qui peuvent être atteintes par un projectile sont donc susceptibles d'être dangereuses.

Le constat est clair. On peut croire que matériels et hommes sont à l'abri, derrière une épaisseur de béton ou d'acier qu'aucun projectile ne peut percer, et il n'en est rien ! A cause des ondes produites lors du choc, même sans pénétrer, le projectile peut faire des dégâts importants de l'autre côté de l'écran -protecteur-. C'est l'effet mécanique Hopkinson.

Il existe cependant des parades possibles contre cet effet, le tout est de les connaître et de les appliquer !


Les protections

Les protections

Pour se protéger contre l'effet mécanique Hopkinson on peut :

- minimiser les ondes de choc en les absorbant, comme avec les blindages composites des tanks actuels et donc minimiser la formation du ménisque ; mais de tels matériaux n'existaient pas au début du XXe siècle,

- éviter le départ du ménisque en le retenant soit avec un treillage métallique dans le béton, dans la zone de formation du ménisque, (ci-dessous : image du haut) soit en doublant la face interne à protéger (image du bas).

photos/hopk_20.gif Ce sont ces deux dernières solutions qui ont été retenues pour la Ligne Maginot.
Applications à la Ligne Maginot
Le béton en 1914-1918

Applications à la Ligne Maginot

Le béton en 1914-1918

Au lendemain de la Grande Guerre certaines interrogations relatives au béton des ouvrages fortifiés paraissent clairement exprimées dans les cours du Commandant Frossard. En 1920 ce dernier est professeur à l'École Militaire du Génie où il dispense un enseignement sur la fortification. Nommé par la suite Général de Brigade, il occupera le poste important d'inspecteur technique des travaux de fortification.

Béton armé décevant ?

Dans l'une de ses conférences, le Cdt Frossard parle ainsi des effets produits sur les ouvrages par les plus gros projectiles allemands :
[...] Les locaux en maçonnerie des fortifications de Verdun, construits à des époques différentes, pouvaient se ramener aux trois types ci-dessous :
-type 1 (antérieur à 1885): maçonnerie de moellons d'une épaisseur de 1m à 1,5m à la clef, recouverte d'une couche de terre de 2 à 5m;
-type 2 (renforcement postérieur à 1885): même maçonnerie que ci-dessus, renforcée par une carapace en béton spécial de 1,5m à 2,5m d'épaisseur avec interposition d'une couche de sable de 1m d'épaisseur;
-type 3 (postérieur à 1885): locaux à piédroits en béton spécial et couverture constituée par des dalles en béton armé de 1,25m à 1,75m d'épaisseur suivant la portée [...]
Les projectiles de 380mm sont munis d'une fusée de culot sans retard; ils éclatent donc au contact d'un corps dur, en pénétrant à peine dans l'obstacle (...). Ils détruisent naturellement les maçonneries de type 1 [...]. Sur les maçonneries de type 2 le projectile de 380mm ne produit que des effets en général superficiels : trou de 1m de profondeur.

photos/beton_01.gif
Sur les maçonneries de type 3 ils ont produit des destructions plus profondes. Un obus de 380 a fait, dans la voûte en béton armé de 1,6m d'épaisseur du couloir des casemates de l'ouvrage de Froideterre, un entonnoir de 0,6m à 0,8m de profondeur sur 4 à 5m de diamètre [...] A l'ouvrage de Thiaumont, un obus de 380, tombé sur une dalle de 1,5m d'épaisseur, y a fait un entonnoir plus considérable entraînant la désagrégation du béton armé et la rupture de la plus grande partie des fers de l'armature [...]
A première vue, donc, le béton armé d'avant 1914 ne semble pas avoir été aussi performant qu'on aurait pu le croire. Et le Cdt Frossard poursuit son discours en ce sens :
Les projectiles de 420mm sont généralement munis de fusées à long retard. Les maçonneries de type 1 sont traversées comme à l'emporte-pièce et (le freinage produit par l'obstacle n'étant pas assez rapide pour faire fonctionner le système d'amorçage) il arrive quelque fois que le projectile n'éclate pas.
Les maçonneries de type 2 sont crevées quand la carapace de béton spécial a une épaisseur inférieure à 2m. Au fort de Douaumont, la partie de la caserne qui était protégée par une carapace de 1,5m d'épaisseur a été percée en plusieurs endroits; au contraire, la partie protégée par une carapace de 2,5m a résisté à des coups isolés de 420. [...]
Les maçonneries de type 3 ne sont pas crevées si l'épaisseur des dalles est supérieure à 1,75m. [...] L'obus éclate dans les dalles; celles-ci présentent en effet à leur partie supérieure un trou de 0,7m environ de diamètre et de 0,6 à 0,7m de profondeur, puis une chambre d'éclatement dans laquelle le béton est pulvérisé et les fers détruits sur une longueur de 1,5m à 1,8m. Dans les dalles de 1,5m d'épaisseur les dernières couches de fer ont été incurvées avant d'avoir été brisées [...]
Dans le béton armé qui a subi le choc d'un très gros projectile, les barres de fer sont le plus souvent complètement décapées. Il ne reste autour d'elles aucune trace de béton dans lequel elles étaient noyées. Il semble que l'armature en fer ait facilité la dislocation de la masse générale, probablement parce que les vibrations dues au choc violent et à l'éclatement du projectile se soit produite avec des intensités et des vitesses différentes dans le fer et dans le béton, amenant ainsi la séparation de ces deux matériaux [...]
Dans le béton spécial, les piédroits, voûtes ou dalles sont sectionnées la plupart du temps en gros blocs dont quelques-uns mesurent parfois plus d'un demi-mètre cube, restant souvent en équilibre et évitant ainsi un écroulement total et massif.
Si l'on considère d'autre part que les épaisseurs de béton spécial ou de béton armé non traversées, par exemple par un projectile de 420, sont peu différents (plus de 2m pour le béton spécial, plus de 1,75m pour le béton armé) on peut se demander si les espérances qu'on avait fondées à ce point de vue sur l'emploi du béton armé n'ont pas été déçues et si celui-ci n'est pas condamné [...]

Nuances

Mais aussitôt après le Cdt nuance ses propos :
Dans les forts de Verdun, qui, pour beaucoup, étaient des ouvrages renforcés après 1885, les carapaces en béton spécial étaient recouvertes d'une certaine épaisseur de terre et reposaient sur un matelas de sable. Ces deux circonstances ont eu pour effet, la première de ralentir la vitesse du projectile, la seconde de former un matelas élastique; elles ont eu certainement pour résultat de diminuer les effets du choc et de l'explosion sur la carapace.
Le béton armé était, au contraire, généralement réservé à des organes de surface; il était recouvert de peu de terre et ne bénéficiait pas, pour l'amortissement de vibrations, de la présence d'une couche de sable.
Il n'en est pas moins vrai que la séparation du béton des barres de fer est inquiétante. Aussi, au cours de la guerre, les Allemands et les Anglais ont-ils construit des dalles en béton, armé seulement à la partie supérieure et à la partie inférieure. Les armatures de la partie supérieure sont destinées à diminuer la pénétration du projectile dans la dalle avant son éclatement; les armatures de la partie inférieure doivent s'opposer au détachement des ménisques [...]

Béton de la Ligne Maginot

Le béton armé de la Ligne Maginot

Il est intéressant de constater que, dès la fin de la Grande Guerre, avant même que les observations relatives aux effets destructeurs des projectiles allemands n'aient été toutes analysées, avant même que des expériences ne soient venues compléter ces observations, les remarques -à chaud- sur le comportement du béton préfigurent déjà ce que vont être les futures casemates de la Ligne Maginot : des blocs de béton épais à deux couches d'armatures (face interne et face externe). La couche interne protège contre l'effet mécanique Hopkinson.
Observation d'un bloc passablement malmené en 1940
photos/bambesch_b2_1.jpg Bloc 2 du Bambesch (SF Faulquemont) après l'attaque allemande du 20 juin 1940. Au-dessus du créneau on constate que l'épaisse dalle, dont l'avancée en visière a été détruite, est constituée de béton armé à sa partie supérieure et à sa partie inférieure (voir les flèches). Il y a peu de ferraillage au centre du béton.
Doublage métallique

Doublage métallique

Pour plus de sécurité, les faces internes des dalles et des murailles les plus exposées aux coups sont doublées par des plaques de blindage stoppant la projection des éventuels ménisques.
Exemple de blindage intérieur
photos/simserhof_47eh.jpg Canon AC47 à l'entrée des hommes du Simserhof (SF Rohrbach). Au font à droite, côté pouvant recevoir des coups, le mur est tapissé de plaques de blindage ; à gauche, côté qui vue sa situation ne peut pas recevoir de coups, il ne l'est pas.
Autre exemple
photos/capm_entree.jpg Salle de garde du Cap-Martin (SFAM). Le mur où est installée cette goulotte à grenades est orienté face à l'Italie. Il est doublé par un ensemble de plaques de blindage de 4,5mm d'épaisseur dont, à gauche, on aperçoit quelques boulons d'ancrage. À l'emplacement de la goulotte les plaques ont été découpées au chalumeau.
Exemple sous une dalle
photos/bichel_.jpg Le dessous des dalles est aussi protégé par des plaques de blindage. Il s'agit ici d'une chambre de troupe à l'Abri du Bichel-Sud (SF Thionville), chambre en train d'être restaurée.
Tourelles

Protection des tourelles

photos/bambesch_b1_tam2.jpg Exemple de tourelle d'armes mixtes (TAM) au Bambesch -Bloc 1- dans le SF Faulquemont. Sur la Ligne Maginot, les tourelles -rotation sur 360°- sont toutes à éclipses. Elles se soulèvent pour tirer, puis s'éclipsent après le tir.
photos/hopk-002.jpg Tourelle de 75/33 de l'Agaisen (SFAM).
Le schéma de coupe verticale de cette tourelle met en évidence les 30cm d'épaisseur de sa muraille et de sa toiture (en marron) et les 4,5cm d'épaisseur de son doublage intérieur (en jaune).
Observatoires d'artillerie

Protection des observatoires d'artillerie (VP et VDP)

photos/hopkinson_vdp.jpg Cloche VDP du Bois_du_Four (SF Crusnes)
La coupe de cette cloche, d'un diamètre intérieur de 120cm, met en évidence les 30cm d'acier (en marron) et les 20mm d'épaisseur de la tôle de son doublage intérieur (en jaune).
Couac des cloches

Le couac des premières cloches GFM et JM

photos/galgenberg_b5.jpg

Bloc 5 du Galgenberg (SF Thionville). Cloche JM (1930) au premier plan et cloche GFM (1929) à droite. On se rend très bien compte que la GFM (surtout elle) ne passe pas inaperçue et risque donc d'être la cible privilégiée de tirs hostiles.


Cas des cloches GFM

Les cloches GFM (Guet Fusil-Mitrailleur) sont les parties les plus visibles des ouvrages de la Ligne Maginot et l'on peut difficilement les cacher puisqu'elles servent de postes d'observation sur 360°. Aussi, lors des réunions de la CORF, dès 1929, le général Belhague s'inquiétait-il à propos de leur efficacité. En fait, ce dernier semblait alors plus préoccupé par les missions multiples que l'on assignait aux GFM (observations tous azimuts et tirs rapprochés, le tout avec un seul homme, faute de place) que par leur besoin de protection renforcée contre l'effet mécanique Hopkinson.

Et c'est ainsi que 1000 de ces cloches furent installées, face à l'ennemi, sans doublage intérieur, alors que, de toute évidence, elles allaient être les premières cibles du prochain conflit ; ce qui n'a d'ailleurs pas manqué de se produire en 1940.

photos/bambesch_b2_gfm.jpg Le Bambesch (SF Faulquemont) a été la cible des canons de 88mm allemands. La GFM de son bloc 2 a été fortement déchaussée (toutefois sans être percée).

À décharge pour la CORF, on peut supposer que ces cloches, d'un diamètre extérieur de 1,80m tout au plus, ont été jugées assez petites pour ne pas être gravement atteintes par les tirs tendus d'une artillerie de campagne considérée comme peu précise (tout au moins lors de la conception de la Ligne Maginot). Mais nous n'avons trouvé aucun document probant, étayant cette supposition.

Cas des cloches JM

Tout comme les GFM, les cloches JM ne sont pas doublées. Mais, contrairement aux GFM, elles sont largement enchâssées dans le béton et n'offrent que peu de prise aux tirs adverses.


GFM de 2ème génération

Cloches GFM de 2ème génération

GFM 1934 (type B) avec doublage intérieur

En 1934 les tirs d'artillerie ont largement gagné en précision et la protection des cloches est devenue un problème crucial que les ingénieurs du Génie ont résolu avec la mise au point d'une cloche type B (et celles de 1929 prennent le nom de cloches GFM type A). Les GFM de type B sont intérieurement un peu plus vaste que leurs aînées (diamètre intérieur de 130cm au lieu de 120cm) ce qui permet de contrer l'effet mécanique Hopkinson en doublant leur cuirassement par une tôle de 20mm d'épaisseur. En même temps on modifie la forme de leurs créneaux pour les rendre plus résistants aux tirs tendus.

photos/fourachaux_b6_gfm.jpg GFM type B. Four-à-Chaux B6 (SF Vosges).
Modification des GFM type A. Essais de 1937.

Mais les cloches de type A, elles, sont déjà installées et équipées. Leur faible diamètre intérieur (1,20m), allié aux contraintes imposées par la présence des créneaux d'observation et de tir, empêchent alors de concevoir un doublage efficace et pratique.

En 1937, à l'occasion de l'installation des périscopes J2 (aide à l'observation des artilleurs) dans les cloches d'observation auxiliaires cuirassées de type A, un projet de doublage intérieur est mis à l'étude afin de servir à la fois de support pour le J2 et de protection contre l'effet mécanique Hopkinson.

photos/hopkinson_gfma.gif Schéma, d'après un croquis du Génie (archives SMF9). La protection/support de J2 est en jaune.

Le prototype est constitué d'une calotte sphérique en tôle de 20mm d'épaisseur qui prend place au-dessus des créneaux. La calotte repose sur cinq entretoises reliées à une virole fixée à la cloche, sous les créneaux.

Installé avec difficulté en août 1937, au Grand_Hohékirkel (SF Vosges), ce prototype de structure complexe (et réduisant l'espace déjà étroit des cloches type A) ne donne pas satisfaction et est abandonné. Les GFM type A resteront sans protection contre l'effet mécanique Hopkinson et les périscopes J2, de celles à équiper, seront fixés plus simplement sur la toiture existante ! (Voir notre plaquette sur l'ouvrage des Banquettes -SFAM-).

photos/hopkinson_gfma1.jpg photos/hopkinson_gfma2.jpg
Ces deux photos (pour lesquelles nous remercions l'auteur) montrent que le prototype installé correspond exactement au schéma de l'époque.
Cloches JM 1930

Cas des cloches JM 1930

Toujours en 1934, on améliore la puissance de feu antichar des intervalles en équipant certaines fortifications en construction avec des armes mixtes (AM) : un trumelage composé d'un canon de 25mm (antichars) associé à deux mitrailleuses MAC31 (antipersonnel).

Les nouvelles cloches (cloches AM), réalisées pour ce nouveau matériel, possèdent une protection anti effet mécanique Hopkinson.

Mais que deviennent les "anciennes" cloches JM 1930 ?

Certaines de ces cloches, à l'origine non protégées contre l'effet mécanique Hopkinson, reçoivent un trumelage d'armes mixtes, ce qui permet, au cours de leur transformation délicate et laborieuse, d'en profiter pour protéger leur toiture par une tôle de 2mm d'épaisseur. Lorsqu'elles ne sont pas transformées en AM elles restent sans doublage. Seule une petite dizaine d'entre elles étaient modifiées, à la déclaration de guerre de 1939.


Test

Test sur l'effet mécanique Hopkinson

Dans ce test un schéma montre une casemate plus ou moins bien protégée contre l'effet mécanique Hopkinson. A vous de trouver si la protection est normale, insuffisante, ou inutilement excessive !

Clic : charger le test
Pour en savoir plus...
Munitions à effet Hopkinson

Pour en savoir plus...

Munitions à effet mécanique Hopkinson

Ici nous ne sommes plus dans le cadre de la Ligne Maginot !

Après 1945 les britanniques mettent au point des projectiles à effet d'écrasement HESH (High Explosive Squash Head) destinés à produire un effet mécanique Hopkinson renforcé sur les blindages.

Comme la dimension du ménisque dépend de la surface d'attaque du projectile, tout ce qui augmente cette surface est susceptible d'accentuer l'effet mécanique Hopkinson.

Écrasement

Plus la tête du projectile s'écrase et s'étale sur sa cible, plus le ménisque détaché est important. Aussi la munition HESH agit-elle en deux temps :

1er temps : la tête de l'obus s'écrase et s'étale

2ème temps : la charge explose (sur la tête bien étalée)

Incidence

Un tir sous incidence augmentant la surface de contact entre l'explosif et le blindage, il améliore donc les performance du projectile !

D'après le Colonel Roland Gras, qui nous a documenté, les études en situation montrent que l'angle d'incidence optimal est de 40° (à partir de 60° les risques de ricochet réduisent fortement l'efficacité des HESH).


Hopkinson père et fils

Hopkinson père et fils

John Hopkinson

John Hopkinson (1849-1898) est spécialiste dans le magnétisme. Pour un matériau ferromagnétique, l'effet Hopkinson se traduit pas une aimantation du matériau qui augmente brutalement juste au-dessous de la température de Curie (voir les pages Internet spécialisées dans ce domaine car il ne s'agit pas du sujet de notre document).

Bertram Hopkinson

Bertram Hopkinson (1874-1918), fils ainé de John, est professeur de mécanique à l'Université de Cambridge. Pour l'étude et la mesure des effets des contraintes dynamiques sur les matériaux, il a réalisé (amélioré celui créé par son père), peu avant 1914, un système dit de barres de Hopkinson (ou barres de pression).

La barre de pression de Hopkinson utilise la propagation des ondes élastiques de compression pour produire des contraintes et des déformations dans un échantillon (pour nous, le béton ou l'acier).

Et en 1914, il a publié : «Une méthode de mesure de la pression produite par la détonation des explosifs brisants ou par l'impact des balles». Titre original : «A method of measuring the pressure produced in the detonation of high explosives or by the impact of bullets.» , Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Volume A213, pages 437-452.

Pendant la Grande Guerre, en tant qu'ingénieur royal il est chargé de la recherche en vue d'améliorer les armes et les munitions.


Etc.

Pour en savoir plus...

Etc.

Question :

L'effet Hopkinson est-il valable aussi pour les batterie sous roc ? Il y a seulement l'embrasure du canon qui peut avoir un peu de beton. Merci. Franco Olivetti .
Réponse : il est "valable" effectivement. Mais, sous roc, le terrain étant très souvent hétérogène et/ou avec une structure amortissant naturellement les ondes de choc, seule l'embrasure bétonnée peut y être sensible.

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