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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Nous avons d’abord expliqué notre projet à Mme Meurisse. Elle était très intéressée par
notre idée et elle nous a fourni une formule pour calculer la force de frottement en fonction du film
de lubrifiant.
Elle nous a également encouragé à poursuivre notre idée de lubrification en faisant varier un
seul facteur à la fois. Elle nous a proposé des publications en anglais sur les frottements lubrifiés.
Nous n’avons pas exploité cette formule en raison de notre manque de connaissances. Mais
nous avons travaillé sur la théorie pour pouvoir obtenir le coefficient de frottement.
Mise en évidence du film d’eau :
Nous avons réalisé une expérience grâce à un bloc de glace et un fil lesté : nous avons
observé que la pression du fil permettait de faire fondre la glace, nous en avons déduit que le même
phénomène intervenait lorsque un patineur se trouve sur la glace : la pression de la lame entraîne la
formation d’un film d’eau liquide sur lequel le patineur glisse.
VI – Le module expérimental
1 - Construction
Ci-contre le module
Roulette permettant de mesurer la vitesse
Capteur de vitesse
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Le compteur (vitesse et distances)
Le bouton d’alimentation de la pompe
Le capteur de température
Les buses d’alimentation
2- Détermination du coefficient de frottement
La méthode appliquée a été la suivante :
a/ Calcul de l’énergie accumulée par le module en mouvement ou énergie cinétique
L’énergie accumulée par le module de masse M en mouvement, animé d’une vitesse v est donnée
par la formule suivante :
E = ½ M x v2
Avec :
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M = masse du module exprimé en kilogramme (kg)
v = Vitesse du module exprimée en m.s -1
E = Energie cinétique exprimée en Joule (J)
La masse du module
Pour nous permettre d’atteindre une masse significative du module, nous avons lesté ce dernier
d’une plaque de fonte et d’un bidon d’eau d’une contenance de 20 litres.
Lesté de la sorte, le module a une masse M = 50 kg.
La vitesse du module
Grâce à la petite roue articulée et au capteur placé sur la roue, nous pouvons mesurer la vitesse du
module, donnée en km.h -1, par un compteur de vélo étalonné et recalculée en m.s-1
Exemple : un module de 50 kg lancé à 1,39 m.s-1 acquiert une énergie cinétique égale à
E = ½ x 50 x 1,39 2 = 48,3 J
b/ Calcul du frottement
Une fois que le module est lancé à 1,39 m.s -1 et que nous le laissons glisser sans lui appliquer
aucune force, il va peu à peu ralentir puis s’arrêter. Le ralentissement du module est dû au
frottement des patins sur la glace
Le coefficient de frottement (cf) est donné par le rapport
F
.
P
Il est facile de connaître P. En effet, nous connaissons la masse (50kg). Pour connaître le poids,
donc la force, il faut multiplier la masse par la gravité terrestre (g = 9,81). Nous obtenons donc une
force de 50 x 9,81 = 490 N.
Pour connaître F, nous devrons mesurer la distance que parcours le module lancé à 1,39 m.s -1
Exemple :
Si le module lancé à 1,39 m.s -1 parcourt une distance de 4 mètres, il aura « consommé » une
énergie de 48,30 joules (énergie cinétique emmagasinée)
Pour les besoins de l’expérience, nous considérons que le coefficient de frottement est constant.
F sera donc de 48,30 / 4 = 12,0 J.m-1.
Le calcul du coefficient moyen de frottement est donc maintenant simple :
cf = F/P = 12,075 / 490,50 = 0,0246 arrondi à 0,025
Le coefficient de frottement est ainsi obtenu en appliquant la formule suivante :
E
F
cf =
= d
P m× g
Avec :
E : Energie cinétique (en joules)
d : distance parcourue en mètres
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m : Masse en kilogrammes
g : Champ de pesanteur soit 9,81 N.kg -1
3- Résultats de l’expérience
Précisions
1/ Lors de la réalisation de l’expérience, la patinoire de Saint - Etienne était ouverte au public ce qui
a singulièrement compliqué notre tâche, bon nombre de tests ayant du être interrompus en raison du
public.
2/ L’état de la glace n’était pas parfait. Nous avons réalisé nos expériences en divers points de la
patinoire sachant que certaines portions ne sont pas tout à fait horizontales.
3/ Si la vitesse à laquelle le module a été lâché pour poursuivre sa course est relativement simple à
obtenir, la distance d’arrêt a été mesurée grâce au compteur installé sur la console du module. En
effet, une mesure au décamètre s’est avérée matériellement impossible.
4/ Enfin, il faut tenir compte de la roue qui mesurait la vitesse et la distance et qui peut être plus ou
moins précise.
Compte tenu des réserves émises ci-dessus les résultats observés ont été les suivants :
Vitesse 6,5 km/h
Essai 1
Essai 2
Essai 3
Essai 4
Essai 5
Moyenne
Vitesse 7,5 km/h
Essai 1
Essai 2
Essai 3
Essai 4
Essai 5
Moyenne
Distance parcourue
sans alimentation
en eau
5,5 m
5,9 m
5,7 m
6,0 m
5,8 m
5,78 m
Distance parcourue
sans alimentation en
eau
7,3 m
7,6 m
7,9 m
7,4 m
8,0 m
7,64 m
Distance parcourue
avec alimentation
en eau
8,1 m
8,2 m
8,3 m
8,8 m
9,1 m
8,5 m
Coef frot
calculés
sans eau
0,03021
0,02816
0,02915
0,02769
0,02865
0,02877
Distance parcourue
avec alimentation en
eau
11,1 m
12,5 m
11,6 m
11,5 m
10,3 m
11,6
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Coef frot
calculés
sans eau
0,03030
0,02911
0,02800
0,02989
0,02765
0,02899
Coef frot
calculés avec
de l’eau
0,02051
0,02026
0,02002
0,01888
0,01826
0,01959
Coef frot
Calculés avec
de l’eau
0,01993
0,01770
0,01907
0,01924
0,01958
0,01910
4 - Analyse graphique
Vitesse 6,5 km/h
sans eau
avec eau
10
9
8,3
8,2
8,1
8
Distances parcourues
9,1
8,8
7
6
5,9
6
5,7
5,5
5,8
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
Essais
Vitesse 7,5 km/h
Sans eau
Avec eau
14
12,5
12
11,6
Distances parcourues
11,1
11,5
11,3
10
8
8
7,9
7,6
7,3
7,4
6
4
2
0
1
2
3
Essais
10 / 20
4
5
Analyse des coefficients de frottement
Vitesse 6,5 km/h
Coefficient de frottement sans eau
Coefficient de frottement avec eau
0,03500
0,03021
0,03000
0,02915
Coefficient de frottement
0,02816
0,02865
0,02769
0,02500
0,02051
0,02000
0,02026
0,02002
0,01888
0,01826
0,01500
0,01000
0,00500
0,00000
1
2
3
4
5
Essais
Vitesse 7,5 km/h
Coefficient de frottement sans eau
Coefficient de frottement avec eau
0,03500
0,03030
Coefficient de frottement
0,03000
0,02989
0,02911
0,02800
0,02765
0,02500
0,02000
0,01993
0,01958
0,01924
0,01907
0,01770
0,01500
0,01000
0,00500
0,00000
1
2
3
4
5
Essais
5 - Conclusions relatives au module
Cette expérience a mis en évidence que l’alimentation d’un patin à glace, en eau, diminue
les coefficients de frottement.
Il faut néanmoins être prudent sur les pourcentages obtenus car les conditions de
l’expérience n’étaient pas optimales.
L’analyse de phénomène nous indique que la pellicule d’eau qui se crée sous le patin facilite
son glissement.
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Sans alimentation en eau, c’est le frottement du patin qui crée de la chaleur, laquelle fait
fondre la glace et facilite le glissement.
Notre observation selon laquelle en alimentant un patin en alcool diminue le glissement par
rapport à l’eau est difficilement compréhensible.
Peut être que la chute de température observée entraîne un durcissement de la glace laquelle a plus
de difficulté à fondre sous la pression du patin ce qui expliquerait un coefficient de frottement plus
élevé.
Il se peut également que l’alcool entraîne avec l’eau une réaction chimique qui crée des
molécules mois mobiles que l’eau.
En conclusion et un des moyens pour améliorer la façon de glisser sur la glace est d’aider le
glissement du patin en alimentant la lame en eau (qui agit alors comme un lubrifiant) pour diminuer
le coefficient de frottement.
VII- Rencontre de M. Chambe, chercheur à l’ENISE
Après la réalisation du module, nous avons voulu nous intéresser à la surface des patins.
Nous sommes allés à l’ENISE rencontrer un spécialiste de la métrologie : Monsieur Chambe
qui nous a présenté les possibilités d’étude de la surface des patins (influant sur la friction et la
vitesse sur glace). Les appareils de mesure utilisés permettent l’étude de la surface de la lame mais
pas la surface de la glace.
Cette personne nous a dit que notre étude des frottements nécessitait plutôt un expert en tribologie
(science et technologie des frottements des surfaces en contact et animées d’un mouvement) et nous
a conseillé de nous renseigner sur le frottement et la lubrification.
Nous avons remarqué que le profil transversal de la lame est concave, ce qui permet de
générer, et de canaliser un film d’eau sous la lame, et de dégager des arêtes vives, les carres, qui
sont en contact avec la glace. Leur acuité permet au patineur de prendre appui sur la glace et le film
facilite le glissement.
Pour pouvoir étudier la surface de la lame nous avons également réalisé une mesure de sa
rugosité grâce à un palpeur fourni par monsieur Royer cadre dans une entreprise d’usinage et de
mesures industrielles.
VIII- Théorie physique
Nous avons décidé d’étudier un peu de théorie (au programme de
Première et de Terminale) afin de considérer son application à notre
projet.
La surface de la glace est plane.
Le système considéré est le patineur de masse m et le référentiel est celui
de la patinoire, considéré comme étant galiléen. Les lois de Newton sont
donc valables.
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1 – Etude dynamique avec le frottement simple
Bilan des forces :
Le poids P = mg
La réaction normale RN
La réaction tangentielle ou force de frottement RT = f
RN
f
P
La force poids et la force réaction normale se compensent donc la somme vectorielle des
forces se limite au vecteur force de frottement f.
Remarque : nous avons écrit les vecteurs en gras pour ne pas avoir à placer des flèches
systématiquement.
G
La deuxième loi de Newton s’écrit alors vectoriellement : ∑ Fext = f = ma G = m dv
dt .
x
Si on projette cette relation sur l’axe x, on obtient : fx = max=m dv
dt or fx = -f avec l’orientation de
dv
dv
f
l’axe, donc –f = m G soit G = − .
dt
dt
m
Il est donc possible d’accéder à la valeur de la force f en calculant la pente de la courbe de la
vitesse au cours du temps. Pour cela, il faut donc obtenir les coordonnées du patineur au cours du
temps et ensuite, en dérivant la position par rapport au temps, on trouve alors la vitesse.
2 - Théorème de l’énergie cinétique.
En utilisant le bilan des forces précédent, on peut écrire avec le théorème de l’énergie
cinétique entre le point de départ A et le point final B :
W(P) +W(RN)+W(f) = Ec(B) – Ec(A)
Puisqu’il s’agit d’un mouvement de translation, alors Ec(A) = ½ mvA2 et Ec(B) = ½ mvB2, or la
vitesse finale est nulle donc W(P) +W(RN)+W(f) = -½ mvA2.
Par ailleurs, P et RN sont des forces constantes orthogonales au déplacement donc leurs travaux sont
nuls.
Donc W(f) = -½ mvA2
Si la force de frottement est constante, alors W(f) = - f.AB = -½ mvA2, on peut en déduire la valeur
mvA2
de la force de frottement : f =
.
2AB
3 - Oscillateur
Nous cherchons à montrer que, sur la glace, la situation fait intervenir les frottements et que
les lois de Newton sont utilisables.
Nous considérons le système {oscillateur}.
Le référentiel choisi est la patinoire, considérée comme référentiel galiléen le temps de
l’expérience. Les lois de Newton s’y appliquent donc.
Schémas de la situation :
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Au début de l’expérience :
Le module est relié par l’intermédiaire de 2 ressorts aux supports qui sont maintenus
solidement afin de rester immobiles sur la glace.
Chaque ressort possède le même coefficient d’élasticité k.
Avant le lâcher :
Nous déplaçons le module d’un côté afin
de comprimer un ressort. Une fois lâché,
le module se met à osciller.
Les deux ressorts possédant le même coefficient d’élasticité, cela revient au même effet théorique
qu’un seul ressort de coefficient 2k.
Le module est soumis aux forces suivantes :
D’après la deuxième loi de Newton, nous obtenons donc :
(Même convention que précédemment pour les vecteurs).
P + RN + 2F = m.a
Or, P et RN se compensent, donc :
2F = m.a
Or, F = -k.x
Donc : 2F = -2k.x = m.a = m.(dv/dt)
D’où : (-2k.x)/m = d2x/dt2
En projection sur l’axe x, nous obtenons donc :
(-2k/m).x = d2x/dt2
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Il s’agit d’une équation différentielle du second ordre.
Et :
2π t
T
En dérivant, nous obtenons l’expression de la vitesse :
− 2π
2π t
v(t ) =
× X m × sin
T
T
2
2
a(t) = -4π /T .Xm.cos(2πt/T)
a(t) = -4π2/T2.x(t) = d2x/dt2
x(t ) = X m × cos
La solution est valable si 2k/m = 4π2/T2, ce qui permet de trouver la période de la fonction.
Isolons k :
k = (2π2m) /T2
d’où :
m
T = 2π ×
k
4- Prise en compte de l'amortissement
Le modèle précédent négligeait les forces de frottement. De ce fait l'oscillation libre pouvait
durer indéfiniment. Les frottements sont en général une force proportionnelle à la vitesse (dx / dt) et
opposée au mouvement. En rajoutant ce terme notre équation différentielle devient :
dx
d 2x
− 2k × x − k ×
= m 2
dt
dt
où k est le coefficient de frottement, avec k < 0. Ceci est une équation linéaire du second ordre que
nous ne pouvons pas résoudre, car nous n’avons pas étudié les nombres complexes.
Le système étudié est le siège d'oscillations libres amorties. Le centre d'inertie de la masse a une
trajectoire que décrit la courbe suivante :
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Mais nous avons pu modéliser la courbe sous la forme :
(ce sont les positions du centre d'inertie de la masse, en fonction du temps, avec x = 0 correspondant à une
position d'équilibre)
5 - Calorimétrie
Nous cherchons à déterminer la chaleur latente de fusion de la glace, c’est-à-dire l’énergie
nécessaire pour faire passer l’eau de l’état solide à l’état liquide.
Ainsi, nous pourrions déterminer l’énergie que le frottement du patin sur la glace doit développer
afin de faire fondre l’eau pour, éventuellement, créer une surface lubrifiante entre la lame et la
surface de la patinoire.
Masse d’eau chaude m1 = 0,548 kg ayant une température θ1 = 90 °C placée dans un
calorimètre resté à température ambiante θ2 = 20 °C. La température finale est θf = 85,3 °C.
Ainsi Q1 + Q2 = 0, soit m1 c (θf -θ1) + mcalo c (θf -θ2) =0
m1(θf − θ1) 0.548(90− 85,3)
=
d’où mcalo =
= 0,040 kg
(θf − 20)
(85,3− 20)
On place alors une masse m3 = 0,075 kg de glace dans le calorimètre contenant l’eau chaude
de température θ4 = 83 °C , la température finale vaut θf = 66°C.
(m1 + mcalo) c (θf -θ4 ) + m3 c (θf -0) + m3 LSL = 0
D’où LSL = -((m1 + mcalo) c (θf -θ4 ) + m3 c (θf -0))/m3 = -(0,598*4,18*(-18)+0,075*4,18*66)/0,075
Ainsi L = 320 kJ.kg-1.
La valeur indiquée par la littérature scientifique est L = 334 kJ.kg-1, l’écart est inférieur à 5%.
6 - Synchronie
Durant les années de première et de terminale, nous avons eu l’occasion de travailler en
physique sur le logiciel Synchronie. Ce logiciel permet de faire du traitement vidéo permettant de
calculer de façons relativement précises des vitesses instantanées et d’obtenir des courbes de vitesse
(par dérivation de l’évolution de la position au cours du temps) en passant par la force de
frottement, chose impossible à obtenir avec notre module.
Après avoir décidé d’utiliser ce logiciel nous sommes retournés à la patinoire pour filmer. A
partir de là nous avons été confrontés à d’autres problèmes. En effet, la caméra ayant un champ de
vision restreint pour pouvoir filmer une grande partie de la patinoire nous devions être loin de
l’objet ce qui rendait l’analyse vidéo impossible. Pour remédier à cela nous avons dû acheter un
objectif grand angle adaptable à notre caméra. Cependant les codecs de capture n’étaient pas les
bons pour Synchronie donc nous avons dû également chercher un logiciel permettant de capturer la
vidéo dans un format convenable. Pour cela et après plusieurs jours nous avons trouvé et utilisé
Studio 9, logiciels permettant l’adaptation et l’utilisation d’autres formats vidéo.
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IX- Théorie Chimique
Propriétés générales
La glace est de l’eau à l’état solide. Au niveau des molécules, cet état s’explique par une
organisation particulière qui forme une structure cristalline suivant un réseau hexagonal.
La glace est obtenue lorsque la température extérieure passe en dessous de 0°C (soit 273,15°K)
dans les conditions de pression normales au niveau de la mer (soit 101 325 Pa).
Plus la pression diminue, plus la température de solidification de l’eau augmente.
eau - glace
eau – liquide
Diagramme de phase de l’eau
Diagramme de phase de l’eau à l’état solide
En réalité, il n’existe pas un seul état solide de l’eau.
En fonction de multiples facteurs, notamment de la température et de la pression (et de la vitesse de
refroidissement), la glace adopte des structures cristallines différentes, dont les propriétés physiques
sont variables.
Ces structures sont résumées dans me diagramme de phase de l’eau à l’état solide. En voici un :
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Le point rouge représente les conditions habituelles dans lesquelles nous pouvons rencontrer
la glace sur Terre et plus spécifiquement, sur une patinoire, avant le passage d’un patineur.
La plupart des glaces obtenues dans des conditions exceptionnelles (haute pression et haute
température) ont des densités supérieures à 1 (jusqu’à 1,7 pour la glace VII). La glace Ih (celle que
nous rencontrons naturellement) a, elle, une densité de 0,9.
Lien avec notre projet.
Lors de passages à la patinoire, nous avons pu constater que la glace brillait après le passage
du patin. Il s’avère que sous l’action de la pression, l’état de la glace change, soit en fondant, soit en
changeant de phase. Ainsi, un patineur de poids supérieur atteint des vitesses plus élevées qu’un
patineur plus léger.
Il nous a été suggéré par un professeur de Chimie, que ces changements pouvaient être le
résultat de la rupture des liaisons hydrogène entre les molécules d’eau. Nous n’avons
malheureusement pas été en mesure de vérifier ces faits au laboratoire, par manque de moyens.
Le coefficient de frottement, quand à lui, peut être diminué par l’adjonction d’un lubrifiant sous les
patins. Dans les expériences qui vont suivre, le lubrifiant choisi est l’eau liquide, pour des raisons
techniques et de simplicité.
Force de frottement
Le frottement sur la glace dépend beaucoup de la température. Si celle-ci n'est pas trop
basse, le travail de la force de frottement est transformé en énergie thermique et la glace fond sous
les patins. Cette fusion est favorisée par les pressions de contact élevées qui règnent au niveau des
aspérités en contact car l'eau, contrairement à l'immense majorité des autres corps, occupe plus de
volume à l'état solide qu'à l'état liquide. Sous l'effet de la pression, la glace tend à occuper moins de
volume et donc à se liquéfier.
La très fine pellicule d'eau liquide formée dans le contact sert de lubrifiant et permet aux
objets de mieux glisser sur la glace. Les forces de frottement ont alors des valeurs très faibles.
Lorsque les températures ne sont pas très basses (-5 à -10 °C par exemple), le frottement produit des
ondulations prouvant qu'un peu de glace a fondu puis regelé derrière les patins. Aux températures
nettement plus basses (-30 °C ou moins) la fusion superficielle cesse, le coefficient de frottement
reprend des valeurs plus habituelles, de l'ordre de 0,1 à 0,3, le glissement est beaucoup plus difficile
et les traces d'usure sont marquées par des fractures perpendiculaires à la direction du glissement,
signe que la glace a été le siège de contraintes de traction notables.
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X- Divers problèmes rencontrés
Nous avons malheureusement rencontré quelques problèmes qui ne nous ont pas facilité la
tâche.
Ainsi, nous avions tenté de contacter quelques entreprises que nous savions fabricantes de
lames de patins à glace. Il s’avère qu’aucune d’entre elles ne nous a répondu, pas même pour nous
dire que leur procédé de fabrication était secret … (il d’agit de l’hypothèse que nous avons émise
quant à cette absence de réponse).
XI- Projets afin de poursuivre l’étude
Nous avons développé un autre module il y a quelques mois. Ainsi, nous désirions étudier
l’influence de la chaleur de la lame sur la force de frottement et sur son coefficient.
Il s’agit de relier chaque lame du patin à une batterie afin de « court-circuiter » le patin et de
l’échauffer de cette manière.
Malheureusement, la patinoire de Saint-Etienne a fermé pendant tout l’été et nous n’avons
pas pu mener à bien nos expérimentations.
XII -Apports personnels des « Olympiades de physique »
Ce concours m’a vraiment intéressé : j’ai pu m’intégrer dans une équipe alors que je venais
d’un autre pays. Cet accueil m’a aidé. En plus, j’avais déjà fait du patinage en Biélorussie, alors
j’étais content de retrouver une patinoire. J’ai pu créer un programme pour simuler les frottements
et le groupe a apprécié mon travail ; cela m’a donné confiance en moi.
Alexander
Le concours « Olympiades de physique » m’a formé au travail de groupe qui n’est pas
toujours facile. Il m’a aussi permis de découvrir les frottements entre les patins et la glace. Je ne me
doutais pas de la complexité d’une lame de patin et des problèmes d’état de surface. J’ai pu créer
une maquette, c’est enrichissant. Les heures passées à la patinoire m’ont beaucoup plu. C’est
surtout l’aspect pratique des manipulations et l’interprétation des résultats qui ont été les plus
enrichissants.
Alexandre
Cette année m’a permis d’avoir une nouvelle vision du monde de la physique. J’ai bien
apprécié les manipulations, qui permettent de voir la théorie sous un autre angle. On aborde des
notions que l’on ne verrait pas forcément en cours. Le travail de groupe n’est pas toujours facile car
nous n’avons pas forcément le même avis sur différents points, mais globalement le groupe a bien
fonctionné.
Hugo
Je n’ai pas rejoint le groupe immédiatement. Mais lorsque j’ai participé aux recherches, aux
manipulations et aux analyses d’expériences cela m’a emballé. Ce travail qui s’est déroulé sur
plusieurs mois n’était pas évident à faire en plus des cours, mais ce travail commun a resserré les
liens entre nous.
Emmanuel
J’ai beaucoup aimé de pouvoir m’investir dans un projet. L’approche de la physique est
différente de celle des cours : j’ai pu observer des phénomènes de la vie quotidienne. Cette
expérience a été riche sur le plan humain et j’ai beaucoup aimé le travail en équipe. La fin a été plus
difficile lorsque nous avons du finaliser le travail en un temps limité.
Adrien
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