« FROTTEMENTS » ENTRE PHYSIQUE ET MÉCANIQUE
Pascale HANNOUN
UMR STEF ENS-Cachan INRP, Paris
MOTS-CLÉS : MÉCANIQUE – FROTTEMENTS – PHYSIQUE – MODÈLES – SCIENCES DE L’INGÉNIEUR
RÉSUMÉ : Nous proposons une analyse comparée des programmes de physique et de sciences de l’ingénieur pour les classes de Première et Terminale scientifiques centrée sur le terme « frottement » et ses liens avec les phénomènes et les modèles en jeu dans les deux contextes d’enseignement. Nous voulons ainsi à partir d’un mot et des objets étudiés en lien avec ce mot, éclairer la différence de point de vue entre la mécanique du physicien qui tend à « décrire et expliquer le monde » et celle des sciences de l’ingénieur qui vise à « construire et transformer » le monde.
ABSTRACT : Our purpose is to do a comparative analysis between physics and engineering science within secondary school. It focuses on term “friction”. Its relations with phenomenon and model used in both teaching context are described. By analysing this word and the things studied about this word we want to show the different point of view between physic who tends to “describe and explain” the world and engineering sciences who aim to “built and transform” the world.
1. INTRODUCTION
Dans le cadre d’une recherche exploratoire, nous nous intéressons à la cohérence et à l’articulation des contenus scolaires rencontrés par les élèves de lycée en section scientifique ayant choisi l’option sciences de l’ingénieur, en nous centrant sur le champ de la mécanique tel qu’il est abordé par la physique et par les sciences de l’ingénieur.
Nous présentons ici la première étape de cette recherche basée sur l’analyse comparative des textes officiels actuels définissant les contenus et les objectifs de ces deux enseignements. Faisant l’hypothèse que ces approches sont divergentes et peuvent être conflictuelles pour les élèves, nous avons mis en évidence à partir d’entretiens préliminaires certains concepts qui posent problèmes pour les élèves dont celui de « frottement » sur lequel nous avons centré cet article. Nous examinons pour les deux programmes quels sont les différents sens attribués au frottement, concept plus vaste et multiforme qu’il n’y paraît a priori. Nous déterminons d’une part la place accordée au frottement en étudiant les occurrences et les emplois du terme générique « frottement ». D’autre part nous cherchons à quels phénomènes il réfère et dans quelles situations il intervient en analysant l’ensemble des termes spécifiques liés au frottement et des objets cités susceptibles de mettre en jeu du frottement.
2. LES TEXTES ÉTUDIÉS
Par soucis d’homogénéité et de comparabilité, le corpus est limité aux textes officiels définissant les programmes (BOEN, 2000, 2001) à l’exclusion des documents d’accompagnement et des manuels. Le programme en sciences de l’ingénieur est défini globalement pour l’ensemble du cycle terminal (classe de Première et Terminale confondues), tandis qu’en physique, il y a un programme par classe : nous disposons donc de trois textes. Nous avons isolé dans ces textes, les parties qui traitent de mécanique, puis conservées celles où le mot « frottement » est présent, nous avons ensuite élargi à des mots et des objets qui s’y rapportent.
Pour la physique, en Première, toute la mécanique est contenue dans la partie intitulée : « Forces, travail et énergie ». En Terminale, nous nous limitons à la partie qui concerne les mouvements des corps dans le cadre de la mécanique de Newton appelée « Evolution temporelle des systèmes mécaniques » incluant des aspects énergétiques. Est exclu de notre analyse le dernier point qui est une ouverture au monde quantique. Pour les sciences de l’ingénieur, nous limitons nos textes aux
deux parties centrales en lien avec l’énergie, les forces et les mouvements, intitulées : « fonctions du produit » et « principes et comportements ».
En physique, le programme, dirigé par les « contenus » s’appuie sur des « exemples d’activités », l’évaluation porte sur les « connaissances et savoirs faire exigibles ». En sciences de l’ingénieur, le prescrit vise l’acquisition de compétences, comme l’atteste la colonne « compétences attendues » celles-ci s’appuyant sur des « savoirs et savoir-faire associés ». Or nos résultats montrent, qu’en ce qui concerne le frottement, l’articulation entre les connaissances évaluées en physique et celles nécessaires en sciences de l’ingénieur est absente.
3. LE MOT « FROTTEMENT » : TERME GÉNÉRIQUE
Le mot « frottement » est le seul rencontré, il n’est jamais question de « friction » ou bien de « tribologie » : nous le considérons comme le terme générique. Nous constatons (cf. tableau 1), que les occurrences du mot « frottement(s) » prédominent pour le programme de physique : il apparaît trois fois en Première et huit fois en Terminale, tandis qu’il n’est relevé qu’une seule fois en sciences de l’ingénieur. Ce résultat peut laisser penser que le frottement a une place plus importante en physique. En fait, comme nous le montrons ci-dessous, il n’y joue pas le même rôle.
Classes Termes Sciences de l’Ingénieur Physique : Première Physique : Terminale Frottement 1 0 4 (2 négligés, 1 nul, 1 avec) Force de
Résultantes des forces de 0 21 4
Total 1 3 8
Tableau 1 : occurrences du terme générique
D’une part, il est important de souligner que le mot « frottement », employé seul désigne le phénomène et c’est sous cette forme qu’il est utilisé dans le programme de SI ; tandis que « force de frottement » est un modèle associé à une représentation vectorielle. C’est la forme la plus fréquente rencontrée dans les programmes de physique. En Première, c’est toujours le cas : la modélisation du phénomène en terme de force est un donné. En Terminale, les seules fois où le terme « frottement » est utilisé seul, c’est pour signaler la présence du phénomène ou au contraire son absence. D’autre part, dans le programme de sciences de l’ingénieur, le terme « frottement » est un des titres de la partie « Principes et comportements » dans la colonne « savoirs et savoir-faire associés ». Il figure donc comme un des éléments nécessaires à la maîtrise du « comportement des structures ». À l’inverse, dans le programme de physique, jamais le terme « frottement » ne figure comme titre.
dans un cas qui va à l’encontre des représentations spontanées des élèves (Caldas, 1994) : il est demandé de savoir « analyser un exemple où une force de frottement sert à la propulsion » (BO, 2001, p. 187). Les deux autres occurrences se trouvent dans les commentaires. En Terminale, ils occupent une place importante dans l’étude de la chute verticale (seul cas où ils ne sont pas considérés toujours comme négligeables), mais là aussi, ils sont présentés comme une alternative : présence « chute verticale avec frottement » ou absence : « chute verticale libre ».
Ainsi en physique, le frottement est présenté comme une hypothèse qui caractérise le modèle construit du phénomène à étudier et le phénomène n’est pas étudié pour lui-même, il est assimilé à sa représentation vectorielle en termes de force. En sciences de l’ingénieur, sa présence étant incontournable dans les systèmes réels, sa prise en compte est une nécessité et non une alternative, il constitue un objet d’étude en soi.
4. ENCORE DES MOTS : TERMES SPÉCIFIQUES
En sélectionnant dans les textes les termes qui recouvrent des phénomènes liés à la présence de frottement, il est possible d’affiner les résultats obtenus avec le seul terme générique. Les analyses tentent de répondre aux questions suivantes : quels effets du frottement sont privilégiés, quels rôles sont envisagés, quels modèles sont proposés, quels liens sont faits avec l’énergie et sa conservation ?
Sciences de l’Ingénieur Physique Première Physique Terminale Effets Dissipation de l’énergie,
rendement, effort résistant. Élévation de température, travail résistant. Amortissement (6), diminution de l’amplitude, pseudo-période, apériodique non-conservation de l’énergie mécanique,
Rôles Résistance aux mouvements Freinage, propulsion Cas envisagés Frottement entre solides,
glissement et roulement État de surface, lubrification
Sens opposé à la vitesse, même sens
Frottement fluide, modélisation de la force de frottement
Tableau 2 : mots spécifiques (concepts, phénomènes) liés au frottement
Dans ce tableau sont placés les mots exacts, tels qu’ils sont trouvés dans les textes, mais leur groupement suivant les critères proposés (Effets, rôles, cas envisagés) relève de notre interprétation. Quelle que soit la discipline, les causes du frottement, l’étude des phénomènes microscopiques (Bowden et Tabor, 1959 ; Baumberger et al., 1994) ne sont pas envisagés, les termes frottement sec ou frottement visqueux n’apparaissent pas.
d’énergie, la définition en compréhension de « résistance aux mouvements » donne une signification globale pour l’ensemble des cas envisagés. Ceux-ci sont limités au « frottement entre solides » et se déclinent en deux cas : « glissement et roulement ».
En physique, le choix semble avoir été au contraire celui de la diversité des effets et des rôles possibles sans continuité entre les classes. Par exemple : un rôle moteur, ou un effet d’élévation de température, cités en Première, n’apparaissent plus en Terminale ; le terme « amortissement », cité 6 fois, apparaît comme un synonyme de « frottement » dans des situations spécifiques (systèmes oscillants) vues en Terminale, etc… En ce qui concerne l’énergie, alors que le travail résistant est défini en Première, le lien n’est fait qu’en Terminale, sous forme de relation causale : les deux cas de conservation ou de non-conservation de l’énergie sont envisagés et il est demandé de les reconnaître et de les interpréter (par la présence ou l’absence de frottements).
L’essentiel de l’étude des frottements est axé en Terminale sur un mouvement particulier : la chute verticale dans un fluide. Les modèles mathématiques représentant le frottement sont proposés sans donner de signification physique au formalisme qui s’y réfère. On se trouve donc devant une multiplication des termes employés liés à des cas particuliers, pour lesquels se repose à chaque fois l’alternative (négligeables ou non). Il semblerait que le critère de décision n’est pas indépendant des fonctions solutions obtenues qui représentent les lois d’évolution temporelle du mouvement c’est-à-dire des cas où ces fonctions mathématiques sont connues des élèves. Il est clair que ces choix sont sans rapport avec les besoins du programme de SI
5. DES CHOSES : SYSTÈMES TECHNIQUES, PRINCIPES PHYSIQUES
En considérant que des frottements entrent en jeu dès qu’il y a résistance à un mouvement relatif entre deux surfaces en contact, nous avons construit un tableau basé sur le croisement des types de mouvements et des types de surfaces en contact. Pour le niveau scolaire que nous étudions, il est suffisant de distinguer deux types de contacts : solide/solide ou fluide/solide (le contact entre deux fluides n’étant pas abordé). La nature du mouvement relatif d’un milieu par rapport à l’autre est caractérisée par la vitesse de glissement relative (nulle ou non nulle), et la vitesse de rotation relative (nulle ou non nulle) aux points de contact entre les deux milieux. Dans le cas fluide/solide, le glissement seul est envisagé, tandis que dans le cas solide/solide trois cas sont traités : équilibre, glissement pur et roulement sans glissement. Le cas de mouvements où roulement et glissement seraient concomitants n’est pas envisagé à ce niveau. Nous avons placé dans le tableau 3 toutes les
lesquelles le frottement peut jouer un rôle important. Le lien avec les frottements est explicite dans le programme de physique, tandis qu’en SI, c’est nous qui supposons que le frottement est en jeu dans le fonctionnement de l’objet.
Contact entre : Mouvements relatifs : Solide/solide SI Φ Fluide/solide SI Φ Équilibre (transmission) Poulies-courroie, engrenages, réducteurs
Roulement sans glissement Roulements Véhicule, mobile, Roue motrice Glissement pur Limiteur couple, frein,
embrayage
Vérin Chute verticale, Air, huile. Pendule,
solide-ressort Glissement et roulement
Tableau 3 : les « choses » classées en fonction du type de contact et des mouvements relatifs
Nous pouvons faire plusieurs constats. La répartition obtenue des objets dans le tableau confirme les résultats précédents : en effet, l’essentiel des frottements envisagés en physique concerne les mouvements de glissement d’un fluide sur un solide ; tandis qu’en SI à l’inverse, le frottement fluide/solide est quasiment absent. Les deux contre-exemples rencontrés, le vérin en SI et les roues de véhicule en physique, semblent des cas isolés dans une colonne. Si on les élimine, il y a alors disjonction totale des cas étudiés en SI et en physique.
En SI, les objets font partie de systèmes de transmission, de guidage ou de modification des mouvements pour lequel le frottement entre solides est le plus souvent une nécessité (soit pour maintenir un équilibre, soit pour mettre en mouvement soit pour ralentir). Ainsi les objets sont nombreux et cruciaux parce que remplissant des fonctions précises dans des systèmes techniques prévus pour des applications qui relèvent aussi bien du frottement statique que du frottement cinétique (Caldas, 1994). En physique, la nature du solide n’est pas précisée, qu’il s’agisse de la chute libre, du ressort ou du pendule. En effet, la place accordée aux objets est limitée puisque l’essentiel réside dans la caractérisation du mouvement du centre de gravité de ce dernier, qui finalement ne diffère pas d’une masse ponctuelle si ce n’est justement par la prise en compte éventuelle de frottement. Finalement, en physique, les objets et les situations sont des prétextes pour étudier un principe physique et les lois qui le gouvernent.
6. CONCLUSIONS
Au terme de cette analyse, il semble que la centration sur les mots et les objets liés au frottement ait été fructueuse pour alimenter la comparaison entre les deux programmes : un des résultats important
est l’inversion du rapport nombre d’objets sur nombre de mots. En SI, les objets et systèmes sont nombreux cités sous forme de liste sans lien explicite avec le terme générique frottement qui est isolé. En physique à l’inverse, il y a profusion du terme générique avec des objets absents ou abstraits c’est-à-dire donnés à travers une représentation formelle, un modèle mathématique (points matériels, mobile, pendule simple), mais pour lesquels la question de la prise en compte du frottement se pose explicitement.
Les constantes : ces deux programmes abordent le frottement à un niveau macroscopique, la
modélisation est donnée en terme de forces qui vérifient des lois mathématiques : les phénomènes en jeu, les déformations des surfaces solides, la viscosité des fluides ou l’hydrodynamique ne sont pas pris en compte dans l’étude des frottements quelle que soit la discipline. Le lien avec la conservation de l’énergie est évoqué rapidement en physique, en SI il n’est pas explicite.
Les contrastes : les textes révèlent une forte disjonction des programmes construits selon deux
logiques qui semblent s’ignorer mutuellement. Il peut être utile de vérifier et d’affiner ce résultat par l’observation de séances effectives dans les deux disciplines. À terme nous voulons identifier les conflits possibles pour les élèves générés par cette situation.
BIBLIOGRAPHIE
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BAUMBERGER T., HESLOT F. et PERRIN B. (1994). Dynamique du frottement solide : un système modèle. Bulletin de la société française de physique, 94, 3-6.
BOWDEN F. P., TABOR D. (1959). Friction et lubrification. Paris : Dunod (Friction and
lubrification, Londres, 1956).
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