de frottement solide ? T

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^D

expérimentale ^Activité

Comment déterminer une force

de frottement solide ? T

STI2D

Capacités : - Identifier, inventorier, caractériser et modéliser les actions mécaniques s’exerçant sur un solide

Réfléchissons un peu avant de commencer…

Voici quatre documents traitants des frottements solide entre deux surfaces.

Doc. 1 Différence entre adhérence et frottement solide

On confond souvent adhérence et frottement solide. Il y a pourtant une différence. Lorsqu’il n’y a pas de déplacement, que deux surfaces sont en contact et que l’une tend à glisser par rapport à l’autre (mais qu’il n’y a pas encore de déplacement), on parle d’adhérence. Si les deux surfaces sont en train de glisser l’une par rapport à l’autre, on parle de frottement solide.

Doc. 2. L’adhérence des pneus

L'adhérence des pneumatiques sur une surface est réalisée grâce à une accroche au niveau microscopique et macroscopique des molécules du pneu et du revêtement.

adhérence moléculaire + adhérence macromoléculaire

La matière utilisée pour la fabrication des pneumatiques est un mélange de caoutchoucs naturel et synthétique, auquel sont ajoutées certaines charges permettant d'améliorer les caractéristiques de résistance à l'usure et à la rupture. Ces charges sont principalement à base de noir de carbone et plus récemment à base de silice sur les pneumatiques à faible résistance au roulement des nouvelles générations. L’adhérence des pneus dépend du type de pneu, de son état d’usure, du type et de l’état du revêtement.

L’adhérence est caractérisée par un coefficient noté µS (S pour frottement statique).

Ce coefficient, sans dimension, se détermine simplement en calculant le rapport hauteur sur largeur H/L du plan incliné sur lequel la voiture, tous freins serrés, dérape.

Expérimentalement, il suffit d’augmenter la pente jusqu'à ce que la voiture commence à glisser et de mesurer l’angle

α

.

Doc. 3. Loi de Coulomb

La force de frottement/adhérence

f r

compense parfaitement la force de poussée

T

r

si le solide est

soit à l’équilibre (adhérence), soit en mouvement rectiligne uniforme (frottement). Dans ce cas, on a :

R µ

f =

(frottement) ou

µ

_S

R

f =

(adhérence)

α

D’après http://f.crepet.free.fr/pilotage/_pilotage/adherence/elise_adherence.htm et www.educauto.org/Documents/Infotech/pneu2.pdf

P r R r T r

f r

L

H

http://lefevre.pc.free.fr

Doc. 4. Valeurs indicatives des coefficients d’adhérence µµµµs et de frottement µµµµ hypothèse où µs = µ

matériaux en contact à sec lubrifié

acier sur acier 0,2 0,1

acier sur fonte 0,1 0,05 à 0,1

acier sur bronze 0,1 0,1

bois sur bois 0,6 0,1 à 0,2

métaux sur bois 0,5 0,02 à 0,1

pneu voiture sur route 0,6 à 1,0 (1,5 pour les F1) 0,1 à 0,3 (sol mouillé)

Dans la suite de l’activité, on utilisera indifféremment les termes adhérence et frottement.

Quel intérêt a-t-on à vouloir réduire ou augmenter les frottements ? Donner des exemples.

Reprendre l’exemple de la voiture sur un plan incliné du doc.2, et répondre aux questions suivantes : - quelle est la relation entre le rapport H/L et l’angle

α

?

- schématiser les forces qui s’exercent sur la voiture de mase m avant qu’elle ne dérape.

- quelle relation a-t-on à l’équilibre entre chacune de ces forces ? - en déduire que la force de frottement solide s’écrit f = m.g.sin

α

. - en déduire que la réaction normale s’écrit R = m.g.cos

α

.

- en utilisant la loi de Coulomb, retrouver l’expression du coefficient de frottement µ en fonction de

α.

- vérifier ainsi que la méthode proposée dans le doc.2 pour déterminer µ est correcte.

Détermination des frottements solide : méthode n°1.

En utilisant la méthode du doc.2 et grâce au plan incliné, au rapporteur et au solide métallique + support de masse m = 1220 g ,

Déterminer la valeur f de la force de frottement solide.

Déterminer la valeur du coefficient de frottement solide µ.

Comparer la valeur trouvée aux valeurs du doc. 4. Conclure.

Détermination des frottements solide : méthode n°2.

En complétant le matériel précédent par une poulie et un fil relié au solide et à un plateau supportant un solide de même masse m que le système étudié,

Représenter sur le schéma ci-contre les 4 forces s’exerçant sur le système (grisé sur le schéma).

Réaliser le montage et déterminer l’angle limite

α

pour lequel le solide arrête de glisser.

Vérifier que, à la limite de l’équilibre, la force de frottement solide s’écrit f = m.g.(1-sin

α

).

En déduire la valeur f de la force de frottement.

Détermination des frottements solide : méthode n°3.

Reprendre le montage précédent et positionner le plan incliné de manière parfaitement horizontale. Utiliser un support boy et un niveau à bulle.

Ajouter des masses marquées sur le plateau en bout de fil jusqu’à ce que le système commence à glisser.

Ajuster le plus précisément possible la masse M ajoutée sur le plateau (masse du plateau = 71 g).

Recommencer l’expérience en alourdissant le système (rajouter successivement quelques centaines de grammes). Compléter les deux premières lignes du tableau suivant :

masse m du système (g) 1220 1420 1620 1820 2020

masse M (g) frottements f (N)

coefficient µ

A la limite de l’équilibre, quelle est la relation entre la force de frottement f et la force de traction T ? En déduire une relation entre f, M et g. Compléter la troisième ligne du tableau.

En utilisant la loi de Coulomb, montrer que la force de frottement f peut s’écrire f = µ.m.g.

En déduire que le coefficient de frottement peut se calculer en faisant le rapport M/m. Compléter la dernière ligne du tableau. Faire la moyenne des valeurs trouvées.

Conclusions

Rédiger une conclusion avec le professeur.

pour adhérer, ça adhère...

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