Félix Esclangon
Lycée
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Les Forces de Frottements : approche et décomposition-Atelier Maths en jeans

mardi 31 mai 2011, par Technicien Tice

Article des élèves de l’atelier scientifique MATHs.en.JEANS

Nous avons assisté en début d’année à une conférence donnée par Michel Jean, chercheur au CNRS, ayant pour thème les avalanches. A l’issue de cette conférence, trois sujets menant a des expériences scientifiques étant les angles de talus, la tribométrie et les rebonds d’une balle nous ont été présentés .Ces expériences permettent d’expliquer quelques aspects du déroulement d’une avalanche, qui reste aujourd’hui un phénomène très complexe.
Nous nous sommes intéressés aux frottements ayant lieu durant une avalanche en effectuant des mesures dans les locaux de notre lycée, Félix Esclangon, à Manosque.

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Le but de nos recherches était d’expliquer certains phénomènes liés aux frottements du déroulement d’une avalanche. Des patins de pneus d’airbus étant mis à notre disposition nous en avons profité pour effectuer quelques mesures, dégageant ainsi plusieurs résultats pouvant être utiles à l’industrie aéronautique.

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Nous avons effectué des mesures dans une salle de physique-chimie mise à notre disposition par nos professeurs. Pour ces mesures, nous avons utilisé un tribomètre, appareil permettant de mesurer les forces de frottements s’exerçant sur un objet. Le tribomètre utilisé pour nos mesures est un tribomètre ELWE de référence : 8405100.

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Le réglage de l’angle pouvait se faire de 0° à 80° (0° pour notre expérience). Pour mesurer les coefficients de frottements des patins de feutre et du patin d’airbus mis à notre disposition nous avons utilisé deux dynamomètres : un de 5N et un de 10N (un troisième de 25N était également mis à notre disposition mais nous ne nous en sommes pas servis, nos mesures étant comprises entre 0 et 10N). Nous avions trois types de patins pour nos mesures : deux d’entre eux avaient une surface feutrée. Leurs références sont Bfeutre et Cfeutre. Le troisième patin est, comme nous l’avons vu un patin ayant pour surface inférieure un échantillon de pneu d’airbus. Sa référence est : Patin airbus. Nous avions également à notre disposition des poids, au nombre de trois, de référence 0,82761, et de même masse. Afin de mesurer les différentes masses des patins, avec et sans poids, avant de mesurer les forces de frottement s’exerçant dessus, nous avons utilisé deux balances différentes. La première, apportée par Michel Jean, chercheur du CNRS nous encadrant avec nos professeurs, était un pèse lettre. La seconde était une balance électronique fournie par notre lycée. Pour mesurer les forces de frottements, nous avons posé le patin étudié sur une bande lisse, posée sur le tribomètre. Cette bande (dont le second côté, plus rugueux, a été utilisé pour quelques tests) était la seule surface de contact avec le patin, qui était accroché au dynamomètre, lui-même fixé au tribomètre. Pour mesurer une force de frottement, il a donc suffit de tirer la bande doucement jusqu’à ce que le patin arrête de glisser, moment auquel nous pouvions lire la force de frottement qu’exerçait la bande sur le patin sur le dynamomètre. Ensuite, on fait le quotient de la force de frottement mesurée par la charge du poids étudié, mesurée au préalable avec la balance.

Les résultats obtenus, conformes aux attentes de nos professeurs et du chercheur présent, ont été répertoriés dans le tableau ci-dessous :

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tableau

Remarque : La Surface 1 correspond à la surface lisse de la bande utilisée pour nos mesures, et la Surface 2 correspond à la surface plus rugueuse de cette même bande. De plus nous avons ajouté une la colonne « Force de frottements (N), RT (valeurs inverses) » afin d’obtenir des graphiques avec des valeurs des deux côtés de l’axe des ordonnées, ce qui nous a permis de voir apparaître un cône sur chacun des graphiques, appelé « Cône de Coulomb ».

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graphique1

Dans un premier temps, les mesures ont été effectuées sur le patin de référence Bfeutre. Nous avons, grâce à nos mesures déterminer un coefficient de frottement valant à peu près 0,25. Le graphique correspondant à nos mesures (Graphique 1) est constitué de deux droites formant avec l’origine du repère un cône appelé cône de Coulomb. C’est à l’intérieur de ce cône que se trouvent toutes les valeurs possibles de coefficient de frottements, pour cette surface et ce patin. Nous avons également mis nos résultats sous forme de graphique pour le patin de référence Cfeutre (Graphique 2)

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graphique2

et le patin de référence Patin airbus (Graphique 3)

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graphique3

. Sur chacun des graphiques correspondants nous pouvons voir apparaître le fameux cône de Coulomb. Lors de nos mesures nous avons également changé la bande se trouvant sur le tribomètre de côté, ce qui nous a donné des coefficients de frottements différents (Graphique 4), la surface de la bande étant plus rugueuse de ce côté.Nous avons donc pu décomposer le coefficient de frottement trouvé en deux forces, une force de frottement, étant la composante normale (notée RN), et une force appelée poids (qui se mesure en Newton, à ne pas confondre avec la masse en kilogrammes d’un objet), et qui est la composante tangentielle (notée RT).

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graphique4
 
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