La glace me fait fondre - Olympiades de Physique France

Alexandre Bédritski, Adrien Royer, Alexandre Deldon,
Hugo Thiollière et Emmanuel Chambon
Olympiades de Physique
« La glace me fait fondre »
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Sommaire
I – Introduction
II – Historique et description des patins à glace
III – Observations à la patinoire
1 - Etape N°1 : mesure de la distance de glissement sur un patin « ordinaire »
2 - Etape N°2 : mesure de la distance de glissement sur un patin « aménagé » (Création d’un
réservoir dorsal)
a - Alimentation de la lame du patin avec de l’eau
b - Alimentation de la lame du patin avec de l’alcool
IV – Hypothèses émises
V – Rencontre de Mme Meurisse, chercheuse à l’INSA de Lyon
VI – Le module expérimental
1 - Construction
2 - Détermination du coefficient de frottement
a - Calcul de l’énergie cinétique
b - Calcul du frottement
3 - Résultats de l’expérience
4 - Analyse graphique
5 - Conclusions relatives au module
VII- Rencontre de M. Chambe, chercheur à l’ENISE
VIII- Théorie physique
1 – Etude dynamique avec le frottement simple
2 - Théorème de l’énergie cinétique.
3 - Oscillateur
4- Prise en compte de l'amortissement
5 - Calorimétrie
6- Synchronie
IX- Théorie Chimique
X- Divers problèmes rencontrés
XI- Projets afin de poursuivre l’étude
XII -Apports personnels des « Olympiades de physique »
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I - Introduction
En Octobre 2006, Mr Vassiaux nous proposa de participer au concours des Olympiades de
physique. Très vite, un groupe comportant 5 élèves motivés s’est créé.
En discutant avec Olivia Giraudier, patineuse de haut niveau (national), nous avons choisi le
thème du patin à glace et de l’étude des frottements, domaines très vastes dans l’expérimentation.
A l’inverse de se que nous pensions, les informations sur Internet concernant le patin étaient
inexistantes et difficiles à rassembler. De plus, aucun fabricant de patins n’a répondu à nos
demandes, sans doute en raison du secret de fabrication.
Après quelques séances plutôt théoriques, nous sommes tous allés à la patinoire de Saint
Etienne pour prendre contact avec la glace.
Après quelques séances, nous nous sommes rendu compte qu’avec une vitesse quasiment identique
chacun des membres du groupe ne s’arrêtait pas à la même distance.
Nous avons donc décidé de faire une étude sur les forces de frottement, en étudiant les différents
paramètres pouvant avoir une influence ; nous avons testé : la masse de l’ensemble sur les patins, la
position, la largeur des patins, la température, la lubrification, la vitesse et l’état de surface de la
glace.
II – Historique et description des patins à glace
A l’origine, le patin à glace était un moyen de transport pour se
déplacer sur les lacs gelés. De nos jours c’est un accessoire de
loisir ou de sport.
Le patin à glace est formé
d’une bottine maintenant
le pied et la cheville, et
d’une lame en acier dont
la forme est différente
selon l’utilisation recherchée. Cette lame est courbée et affûtée
de manière à posséder des arêtes (les carres) mordant dans la
glace pour tourner.
Les lames destinées au patinage artistique, et encore plus pour
la danse sur glace, sont fines, possèdent une courbure assez
prononcée pour pouvoir prendre la carre et tourner. Elles possèdent des dents à l’avant pour piquer
la glace et effectuer des figures.
Les lames de hockey sont plus droites et ne possèdent pas de dent tout comme les lames de course
qui sont plates, permettant ainsi au patineur de s’appuyer sur toute la longueur de la lame puisqu’il
n’a pas à prendre la carre. Certaines lames pour course sur piste courte (circulaire) sont courbées
dans le sens du virage.
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III – Observations à la patinoire
Lorsque nous avons décidé de lancer une étude sur les frottements d’un patin sur la glace, nous
avons procédé en plusieurs étapes.
1 - Etape N°1 : mesure de la distance de glissement sur un patin « ordinaire »
La distance de glissement sur un patin « ordinaire » dépend tout naturellement de la poussée
appliquée lors du démarrage. Bien évidemment, il nous était difficile de réaliser plusieurs essais en
appliquant chaque fois une poussée identique.
Cependant et avec beaucoup d’application nous avons essayé d’approcher cette règle afin que nos
essais soient les plus significatifs possible.
2 - Etape N°2 : mesure de la distance de glissement sur un patin « aménagé » (Création d’un
réservoir dorsal).
En retournant à la patinoire et en regardant la lame pendant le patinage nous avons pu
constater que dès que la lame était passée sur la glace, celle-ci était brillante pendant quelque
secondes. Nous en avons déduit qu’un film d’eau ce produisait sous la lame pendant le patinage.
Pour vérifier notre hypothèse nous avons décidé de rajouter de l’eau sous la lame durant le patinage.
Une petite durite scotchée au patin, alimentée par un réservoir dorsal permettait grâce à une pompe
de délivrer l’eau. Les résultats obtenus étaient concluants. En effet, avec la même vitesse la distance
était multipliée par deux donc l’eau diminuait le coefficient de frottement par deux.
Au terme de ces observations il aurait été passionnant de pousser plus loin les expériences.
Pour nous livrer à nos tests, nous avons, sur un patin à glace « ordinaire », branché une
petite alimentation en liquide grâce à un réservoir dorsal, un tuyau plastique fixé à l’avant du patin
et une petite pompe électrique qui alimentait le patin en liquide.
Pour compléter nos mesures, nous avons placé sur la lame du patin un capteur permettant de
mesurer la température de la lame.
C’est ainsi que de manière empirique, nous nous sommes livrés à quelques observations sur
les conséquences de l’adjonction d’un lubrifiant : l’eau ou l’alcool.
Patin et réservoir dorsal. Détail d’un patin.
a - Alimentation de la lame du patin avec de l’eau
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Lorsque la lame du patin est alimentée avec de l’eau, nous avons observé que pour une
poussée de départ jugée identique, la distance de glissement parcourue était très sensiblement
supérieure (elle semblait doubler).
Par ailleurs, l’alimentation en eau du patin ne changeait pas de façon significative la température de
la lame.
b - Alimentation de la lame du patin avec de l’alcool
Lorsque la lame du patin est alimentée avec de l’alcool et non plus de l’eau, la distance de
glissement diminue par rapport à une alimentation du patin en eau. Elle reste toutefois supérieure à
celle enregistrée lorsque le patin glisse à sec.
Par ailleurs la température de la lame chute de plusieurs degrés.
IV – Hypothèses émises
Partant de nos observations, il a est apparu que lorsque l’on place sous la lame d’un patin
une pellicule d’eau, cette dernière facilite le glissement. L’eau se comporterait donc comme un
lubrifiant.
Enfin, le fait de remplacer l’eau par de l’alcool n’a pas donné le résultat attendu, qui a
d’ailleurs été contraire aux espérances : le patin glissait moins facilement.
Afin de nous limiter dans notre recherche nous nous sommes appliqués à vérifier qu’une
alimentation d’un patin à glace en eau permettait d’améliorer le glissement donc de diminuer les
frottements.
En effet, plus le patin glisse, moins le coefficient de frottement est important.
L’expérimentation aura pour objectif de déterminer les coefficients de frottement avec et
sans alimentation en eau.
Nous avons décidé de consulter un chercheur.
V – Rencontre de Mme Meurisse, chercheuse à l’INSA de
Lyon
Pour cela nous nous sommes dirigés vers Mme Meurisse, chercheuse au LaMCoS :
Laboratoire de Mécanique des Contact et des Solides, spécialiste de la lubrification à l’INSA Lyon.
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