Savez-vous planter des clous - Olympiades de Physique France

Finale Nationale des Olympiades de Physique
Vendredi 2 février 2007
Au Palais de la Découverte (Paris)
Marjorie ANDRIEUX, Laurie HAVART,
Pauline LÉTENDART, Lucie QUÉVAL
Présentent
Savez-vous planter des clous ?
Vaut-il mieux planter un clou en une fois ou n fois ?
1
Nos partenaires
2
Sommaire.
Introduction
3
Des clous !
Du clou forgé
Au clou industriel
Différents modèles de clous modernes
5
5
5
5
Modélisation du coup de marteau.
Le « marteau gravimétrique »
Principe
Le dispositif de guidage
Inventaire des forces en présence
Comment faire varier l’énergie du choc
La réalisation du marteau gravimétrique
Etalonnage des marteaux gravimétriques
Fabrication de marteaux plus massifs
Le marteau à ressort
Principe
Notre maquette
Le choix du ressort
Construction du marteau à ressort
Etalonnage du marteau à ressort
Le choix du matériau pour planter les clous
Le choix du clou
Choix du système de mesure d’enfoncement des clous
Choix de la position initiale du clou
7
7
7
7
7
9
10
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13
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14
14
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20
20
21
23
Etude Expérimentale
La physique mise en jeu
Planter des clous d’après la physique
Mesures effectuées
Dans le bois
Dans le polyéthylène
Commentaires
25
25
25
27
27
28
29
Pourquoi les clous se tordent-ils ?
Les causes physiques du pliage du clou : le flambage
L’erreur humaine
Le conflit vitesse précision
Vérification expérimentale de la loi de Fitts
Effet de l’entrainement
Effet de l’augmentation de la masse de l’objet à déplacer
31
31
34
34
34
37
38
Comment travaille un professionnel ?
39
Conclusion
40
Remerciements
41
Bibliographie papier
Webographie
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Ce que m’ont apporté les Olympiades de Physique (Marjorie)
Ce que m’ont apporté les Olympiades de Physique (Laurie)
Ce que m’ont apporté les Olympiades de Physique (Pauline)
Ce que m’ont apporté les Olympiades de Physique (Lucie)
44
46
48
50
3
Nous avons connu les Olympiades de Physique, pour deux d’entre nous, Laurie et Marjorie,
en classe de seconde avec la présentation de « la physique du karaté » par Guillaume
Serret, François Régnier, Claire Froissart et Marion Hermand ; puis, pour les deux autres,
Lucie et Pauline, en classe de première avec la présentation de « 1 mirage + 1 mirage = 1
belle image » par Clémence Bernardy et Perrine Cagneaux.
L’équipe 2004/2005
Perrine et Clémence à Stockholm sept. 2006
(Avec J.M. Beart Directeur européen « Science et Société »)
Leurs projets nous ont beaucoup plu, c’est pourquoi, nous voulions à notre tour nous investir
dans une telle expérience. Le sujet de Perrine et Clémence les a emmenées à Stockholm,
Malte, prochainement à Moscou et à Durban (Afrique du Sud)…
Grâce aux nombreuses représentations sur le projet des mirages, nous avons pu toutes les
quatre observer leurs méthodes de travail et ainsi nous lier à l’expérience des Olympiades
de Physique.
Or, pendant une soirée entre filles, nous avons regardé l’émission Fort Boyard, notamment
l’épreuve basée sur le plantage du clou.
Nous nous y sommes fortement intéressées et c’est de là que nous nous sommes dit qu’il
serait passionnant d’étudier la physique mise en jeu pour planter les clous. Comme nous
savions que les Olympiades se renouvelaient pour l’année 2006-2007, nous nous y sommes
inscrites. Ainsi, notre sujet est né : Vaut-il mieux planter un clou en une fois ou en n fois ?
De nombreuses questions cogitaient dans nos têtes à propos de notre projet, à savoir quels
sont les enjeux physiques pour planter des clous ? Ou encore, comment modéliser un coup
de marteau ? Mais aussi, comment travaille un professionnel qui plante des clous toute la
journée, près de 300 jours par an ?
4
Des clous !
I) Du clou forgé…
Les clous existent depuis l’Antiquité. Jusqu’au XIXe siècle, les clous étaient forgés à
la main. Chaque cloutier était propriétaire d’une petite forge occupant 4, 6 ou 8 ouvriers.
La fabrication du clou se faisait à partir d’une verge de fer qu’on chauffait par un bout
dans la forge. La pointe du clou était formée sur l’enclume à l’aide d’un marteau. Le clou est
ensuite coupé avec le marteau sur un morceau d’acier tranchant. Une fois coupé, on le place
par le bout pointu dans la cloyère et on y forme la tête à coups de marteau. Grâce à cette
technique, on fabriquait aussi bien des clous à pointe perdue (clou sans tête) utilisés dans
l’ébénisterie, ne pesant que 1,2 gramme, que des clous de 37cm de long pour la construction
des navires. A cette époque, un cloutier pouvait fabriquer 2500 clous moyens en 2 jours.
II) … Au clou industriel
Au début du XIXe siècle, et se généralisant vers 1830, la fabrication du clou devient
mécanique. Jean-François Nappé met au point, sur le modèle d’une machine à coudre, une
mécanique capable de forger les pointes de clou à froid : un ensemble de « mordages » ou
« mordaches » entraîne et serre le métal permettant la coupe de la pointe et le forgeage
de la tête grâce à un marteau entraîné par un système de cames. Grâce à cette invention,
Nappé passe à la fabrication en grande série : en effet, en 1847, il peut produire
quotidiennement 200kg de clous ou de pointes, soit 10 fois le rendement traditionnel.
Exploitant ces expériences, Charles Lévy met au point une machine plus élaborée et
restera pour l’histoire l’inventeur de la machine industrielle à fabriquer des clous.
La fabrication mécanique n’est pas la seule cause de la disparition de la clouterie à la main.
Nombre de clous ne se font plus même mécaniquement car on a cessé de les utiliser. Par
exemple, on ne fait plus de clous pour les bateaux car on ne construit plus de bateaux en
bois, ni de clous de soufflet, puisque le soufflet de forge est remplacé par un ventilateur,
ni de clous de porte, parce qu’on ne garnit plus celles-ci de grosses têtes… avec le travail à
la main a disparu aussi ce qu’on pourrait appeler la « personnalité » du clou. Effectivement,
lorsque les clous étaient forgés à la main, on reconnaissait d’un simple coup d’œil le cloutier
les ayant fabriqués ; alors que la machine exerce, quant à elle, une production standardisée.
C’est une des raisons pour lesquelles, pendant longtemps, on a imprimé mécaniquement sur
la tête du clou fabriqué à la machine, un poinçon ou lettrage, permettant au nouveau
cloutier industriel de faire connaître sa production.
III) Différents modèles de clous modernes
Il existe de nombreux modèles différents de clous : leur forme, longueur, diamètre,
pointe, tête, et structure… dépendent de leur utilité :
5
A) Caractéristiques des clous :
Forme de la tête :
La forme de la tête est plate pour usages courants, plate large pour revêtements et
isolants, tête homme pour menuiserie et parquet (elle s'enfonce sous le niveau du bois, on
les "chasse" avec un chasse-clou)...
Forme de la pointe :
La forme de la pointe dépend du matériau dans lequel le clou sera planté. Par
exemple, la pointe torsadée a une meilleure résistance à l'arrachement et convient bien
aux panneaux d'aggloméré, les « semences » sont utilisées pour la cordonnerie ou la
tapisserie, le clou de tapissier...
Longueur et diamètre de la pointe :
Ces deux caractéristiques sont liées : plus une pointe est longue, plus son diamètre
est important. Par exemple, une pointe de 0,8 mm de diamètre a une longueur de 12 mm et
une pointe de 180 mm de longueur n'existe qu'en diamètre 6,5 mm, mais on trouve
certaines longueurs en différents diamètres.
Matière du clou :
Un clou peut être fabriqué en acier, acier zingué, acier galvanisé qui résiste à
l'oxydation, acier poli, laiton qui est inoxydable et décoratif mais moins résistant que
l'acier, acier bleui (trempé) pour matériaux très durs, cuivre pour la décoration...
B) Les clous plus courants en menuiserie sont :
- le clou à tête plate ou à tête plate striée pour les travaux courants,
- le clou tête homme qui peut être « chassé » dans le bois,
- le clou à tête demi-ronde destinée à rester apparente,
- le clou à tête conique, de petite taille, pour clouer des épaisseurs minces,
- le clou torsadé pour clouer l'aggloméré.
Les clous existent en différentes longueurs et leur diamètre augmente avec à la longueur.
6
Modélisation du coup de marteau.
Un coup de marteau n’est pas une chose aussi simple qu’il n’y paraît, les premières vidéos
que nous avons faites nous l’ont montré. Aussi nous avons choisi de simplifier le problème
en ne nous intéressant qu’à l’interface marteau/clou dans un premier temps.
I) Le « marteau gravimétrique »
Tout d’abord, nous avons modélisé le coup de marteau en laissant tomber d’une hauteur h
une masse, m, c’est ce que nous avons appelé le « marteau gravimétrique ».
A) Le principe
Une masse m, lâchée d’une altitude h, et soumise à son poids P, tombe en transformant de
l’énergie potentielle de pesanteur en énergie cinétique. On suppose qu’il y a conservation de
l’énergie mécanique. Le moteur du marteau étant la gravité, nous l’avons baptisé « marteau
gravimétrique ».
.
B) Le dispositif de guidage
Après de multiples réflexions, nous avons choisi d’utiliser une masse guidée par un tube
vertical transparent pour voir ce qui se passe. Cependant un premier test nous a montré
que si le diamètre de la masse percutante est trop voisin du diamètre du tube la chute de
la masse est alors ralentie par la compression de l’air : c’est l’effet piston. Pour remédier à
ce problème, nous avons percé une série de trous de diamètre 5 mm régulièrement espacés
pour permettre à l’air de sortir du tube.
C) Inventaire des forces en présence
•
•
•
•
Le poids, P , vertical, vers le bas, en G, de norme P = m.g
La poussée d’Archimède A , verticale en G (car le système est à symétrie centrale) de
norme A = ρ.v.g (elle est négligeable ici)
Les forces de frottement, Ff réparties sur toute la surface latérale, s’opposent au
mouvement. On peut les représenter comme une force unique en G, de norme Ff,
verticale vers le haut. Nous l’avons minimisée en lubrifiant la masse.
Les forces de frottement liées à la résistance de l’air, Fa, réparties principalement sur
la face avant, s’opposent au mouvement. On peut la représenter comme une force unique
en G, de norme Fa = kvn, elle est liée à la vitesse. Nous l’avons minimisée en perforant le
tube, pour éviter l’effet piston.
Fa
Ff
G
7
P
Centre d’inertie, G, de
l’objet percutant
Objet percutant
Hauteur, h, prise en
compte pour les calculs
Tube en plexiglass
Vis ∅6 mm
permettant un réglage vertical
du dispositif
Trous ∅ 5 mm
Clou cible
Matériau test
8
D) Comment faire varier l’énergie du choc
Ensuite, il nous a paru pertinent de faire varier la hauteur h, l’énergie potentielle de
pesanteur variant comme Epp = mgh
Seulement nous nous sommes aperçues, après réflexion que la longueur de parcours
étant différente, il s’ensuit que :
• le travail des forces de frottements éventuels contre la paroi n’est pas le même,
• la résistance de l’air qui est en kvn, diffère aussi puisque théoriquement la vitesse
dépend de la hauteur de chute v= 2.g.h.
Nous avons donc envisagé de faire varier la dimension de l’objet ; mais les forces de
frottement sur la paroi dépendent de la taille de l’objet, donc solution à écarter.
Solution autre : faire varier la masse de l’objet en changeant de matière, le problème
est que les masses volumiques des matériaux disponibles ne sont pas infiniment
nombreuses et varient de manière discrète (non continue)
ρ aluminium = 2600 kg.m-3
ρ zinc = 7150 kg.m-3
ρ acier = 7850 kg.m-3
ρ laiton = 8500 kg.m-3
ρ cuivre = 8900 kg.m-3
ρ or = 19290 kg.m-3
Nous avons donc choisi de chercher comment faire varier la masse d’un objet quasiment
à volonté sans changer sa forme extérieure. La solution est d’ utiliser un objet percé en
son milieu. Nous avons également choisi de refermer cet objet pour éviter les effets
liés au trou.
Bouchon épaisseur,
e = 4 mm
Trou de diamètre, d
L = 150 mm
Encoche = repère du centre d’inertie, G
Masse de diamètre, D
e = 4 mm
L’épaisseur du bouchon, e, est égale à celle du fond de la pièce, 4 mm est un minimum
pour ne pas avoir de déformation à l’impact. Le bouchon est de la même matière que la
pièce, contrairement à ce que pourrait laisser penser le schéma.
9
Nous avons fixé la longueur, L, à 150 mm, au-delà il devient difficile de faire des trous
de petit diamètre. Il faut une pièce qui ait une masse raisonnable et facile à fabriquer.
Nous avons donc demandé à la section Productique du lycée de nous fabriquer ces
pièces. Nous remercions ici les élèves des sections de Productique, ainsi que
MM. HEUGUE et DELEAU, leurs professeurs, sans oublier M. CAPELLE, chef des
travaux, sans lesquels cela n’aurait pas été possible.
Dans le tableau ci-dessous les dimensions et caractéristiques des pièces.
d
en mm
22,00
20,20
16,80
15,40
12,40
10,30
6,70
4,60
0,00
D = 25,00 mm L = 150,00 mm
m
Epp à 0,500 m
Epp à 1,000 m
en g
en joules
en joules
147
0.72
1.44
217
1.06
2.13
318
1.56
3.12
357
1.75
3.50
419
2.06
4.11
473
2.32
4.64
515
2.53
5.05
542
2.66
5.32
566
2.78
5.55
Les différentes pièces ont été réalisées dans de l’acier.
E) La réalisation du marteau gravimétrique
a) La fabrication du tube
Nous avons pu récupérer du tube en matière plastique transparente, au laboratoire
de SVT dont le diamètre intérieur est de 26 mm. Après en avoir coupé une longueur de
1,075 m (1 m de hauteur de chute plus une demi-hauteur de marteau), nous avons fait
une série de trous tous les 2,5 cm pour éviter l’effet piston. Nous avons alors découvert
l’historique de la perceuse. M. BURIDANT a tenu à ce que nous apprenions à nous servir
des ancêtres de la perceuse électrique moderne : du vilebrequin, en passant par la
chignole, jusqu'à la mini-perceuse électrique sur colonne. Il avait raison. Nous avons
appris en effet :
• qu’il faut respecter une certaine vitesse de rotation pour percer un trou d’un
diamètre donné, dans un matériau donné,
• qu’il faut poinçonner l’endroit où l’on veut percer, et ne pas seulement le
marquer au feutre effaçable !
• que parfois il faut faire un avant trou,
• que le foret doit être bien aiguisé,
• qu’il faut souvent lubrifier, pour éviter la surchauffe,
• qu’il vaut mieux ne pas trop vouloir en faire simultanément.
10
Bref, avant de faire un trou, on réfléchit à ce qu’on va faire sinon c’est la catastrophe
garantie, l’explosion du tube et tout est à recommencer. « Le bricolage, ça ne s’apprend pas
dans les livres, … c’est expérimental ».
b) La fabrication des « marteaux »
Elle a été confiée aux élèves de BTS IPM (Industrialisation des Produits Mécaniques), ce
qui a été l’occasion pour nous de découvrir toute une partie de notre lycée. En principe,
nous n’avons pas le droit d’y passer pour des raisons de sécurité et de travail (imaginez des
élèves traversant une salle de classe !). Nous avons découvert du matériel énorme pour
faire des pièces au 1/100ème de mm près, mesurées au pied à coulisse numérique. Ce qui
nous aurait demandé quelques heures fait au mm près avec des angles presque droits au
labo, demande alors 2 semaines !
F) Etalonnage des marteaux gravimétriques.
Il nous a paru indispensable de vérifier que nos marteaux délivrent bien l’énergie prévue.
Pour cela nous avons procédé à la mesure de la vitesse des différents marteaux, grâce à un
capteur Chronociné® et le logiciel Chronoméca® que la société JEULIN S.A. nous fournit
gracieusement. Nous tenons encore à remercier ce partenaire des Olympiades de Physique.
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a) Principe
Marteau gravimétrique
Capteur Chrono®
hauteur, h
prise
en compte
Tube perforé
Console d’acquisition
PC
Capteur Chronociné®
Le capteur Chrono® déclenche l’acquisition lors du passage du marteau. Le capteur
Chronociné® mesure sa vitesse lorsque la partie inférieure passe devant. La valeur
s’affiche sur l’ordinateur. La hauteur entre le bas de la position initiale du marteau et le
centre du capteur Chronociné® a été fixée à 95,0 cm. La vitesse théorique est donc
v=
2.g.h =
2 x 9,81 x 0,950 = 4,32 m.s-1
b) Mesures
Nous avons effectué 10 mesures pour chaque marteau. Les résultats sont consignés dans le
tableau ci-dessous.
N°du
marteau
1
2
3
4
5
6
7
8
9
m
en g
Moyenne des vitesses
mesurées en m.s-1
Ecart par rapport
à la valeur théorique en %
147
4,29
-0,63
217
4,27
-1,05
318
4,29
-0,61
357
4,26
-1,37
419
4,27
-1,16
473
4,26
-1,37
515
4,27
-1,16
542
4,27
-1,07
566
4,29
-0,59
Les écarts sont de l’ordre de 1%, c'est-à-dire de l’ordre de grandeur de notre dernier
chiffre significatif. Nous pouvons donc considéré que le modèle est valide, la valeur
d’énergie prévue par la conservation de l’énergie mécanique sera celle transmise à 1%
près.
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G) Fabrication de marteaux plus massifs
Nous ne sommes jamais parvenues à planter un clou en une seule fois, avec ces marteaux
gravimétriques, c’est pourquoi nous avons décidé d’en fabriquer un plus lourd pour la finale
nationale. Le problème est que nous ne pouvions pas renoncer aux précautions pour avoir
des marteaux de formes identiques. Donc pas question d’avoir un marteau plus long que les
autres. Nous avons donc décidé de les alourdir en remplaçant l’acier par du plomb. Ce
dernier a une masse volumique de 11 340 kg.m-3 bien supérieure à celle de l’acier
(7850 kg.m-3 en moyenne).
Schéma de principe
Bouchon épaisseur,
e = 4 mm
Trou de diamètre, d, rempli de plomb.
L = 150 mm
Encoche = repère du centre d’inertie, G
Acier (diamètre 25 mm)
e = 4 mm
Réalisation :
Nous avons fait percer deux barreaux de 25 mm avec des trous de 12 et 22 mm de
diamètre.
Mise en place
Fusion du plomb
Coulage du plomb dans le marteau
Les masses des nouveaux marteaux sont de 634 et 719 g, ils développent respectivement à
1m une énergie de 6,22 et 7,05 J.
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Le marteau à ressort
Nous avons également eu l’idée un jour à table en discutant d’une partie de paintball, de
construire un marteau dont l’énergie serait fournie par la compression d’un ressort, comme
pour propulser une flèche d’un pistolet de nos petits frères.
Le marteau à ressort n’est pas notre invention puisqu’une recherche Internet nous a
montré qu’il s’agit d’un outil réglementaire pour les tests qualité : résistance aux chocs
mécaniques (pour les appareils électriques, etc) telle qu’elle est définie par la norme
CEI 60068-1. Il est d’ailleurs utilisé à la cristallerie d’Arques pour mesurer la résistance
mécanique des verres. C’est M. BAJART qui nous a donné quelques renseignements,
notamment son prix : 3735 €. Un peu trop cher pour nous ! La société qui les fabrique n’a
jamais répondu à nos demandes.
A) Le principe
Un ressort subit une compression réglable, puis, lors de sa détente, il communique à une
pièce métallique l’énergie potentielle élastique : Epe
1
Epe = . k . x2
2
Si le marteau est parfaitement horizontal, le travail des forces de frottement est nul, car
le poids est perpendiculaire au déplacement, les forces de frottement sont minimisées en
lubrifiant correctement les parties mobiles.
D’autre part, si on s’intéresse à la quantité de mouvement, p, qui est le produit p = m.v, ou m
est la masse en mouvement et v la valeur de sa vitesse.
1
1
Si l’énergie mécanique est conservée alors Epe = . k . x2 se transforme en Ec = . m . v2
2
2
k
k
. x2 =
. x Alors p = m.v devient p= m .
m
m
mouvement est proportionnelle à la position du piston.
D’où v =
p=
k
.x=
m
k.m. x., la quantité de
k.m. x
« Goupille gâchette »
B) Notre maquette
Tige filetée permettant la
compression du ressort
Compression, x, prise en
compte pour les calculs.
Objet
percutant
Ressort
14
Dispositif de réglages.
Clou cible
Matériau test
C) Le choix du ressort
Il nous fallait un ressort :
• qui soit à spires non jointives pour pouvoir travailler en compression.
• qui ait une constante de raideur telle qu’on puisse avoir une énergie potentielle
élastique (Epe) de 0,5 J pour une compression de l’ordre de 10 cm (une énergie pas
trop grande et des dimensions compatibles avec la maquette).
1
k x2
2
2.Epe
Soit k= 2
x
Epe =
Numériquement k =
2 x 0,5
2
-1
2 = 1.10 N.m
0,10
Nous sommes allées à la recherche d’un tel ressort dans le labo, et nous n’en avons
trouvé qu’un qui semblait correspondre à ces critères. Nous avons établi sa constante
de raideur en élongation et en compression.
1) Etude en élongation
Il s’agit là d’un TP classique de 1S (ou de 2nde PCL). Sur un ressort, on suspend des
masses marquées et on mesure l’allongement du ressort.
Ressort
F
Index
Règle
graduée
Masse
marquée
P
La force de rappel, F , exercée par le ressort est exactement opposée au poids, P , de
la masse, et telle que F = k . x
15
où k est la constante de raideur du ressort en N.m-1 et x l’allongement du ressort
provoqué par le poids de la masse.
Les résultats sont consignés dans le graphe ci-dessous :
Force de rappel exercée
par le ressort en N
F = f(x)
7
6
5
4
3
2
F = 96.729x + 0.00127
2
R = 0.9964
1
0
0
0.02
0.04
0.06
0.08
Allongement du ressort en m
L’équation donnée par Excel© est F = 96,729x + 0,00127 (avec une bonne corrélation,
R2 = 0,9964)
2) Etude en compression
La, il s’agit d’une étude beaucoup moins classique. Il nous a fallu créer notre « manip » !
F
Rondelle de fixation
Index
Tube transparent
Rondelle bloquant le
ressort
Règle
graduée
Ficelle
Masse
marquée
P
16
Les forces sont les mêmes (on a lubrifié le ressort pour limiter les frottements). Les
résultats sont consignés dans le graphe ci-dessous :
Force de rappel exercée
par le ressort en N
F = f(x)
10
8
6
4
F = 98.98x + 0.0004
R2 = 0.9991
2
0
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
Variation de longueur du ressort en m
F = 98,98x + 0,0004 (toujours avec une bonne corrélation, R2 = 0.9991), on ne trouve
pas exactement le même résultat, et faute de temps nous ne pouvons multiplier les
mesures.
L’écart relatif est de :
(98,98 - 96,729)
x 100 = 2,32 % (en choisissant la méthode
96,729
classique comme référence ; ce n’est pas parfait mais acceptable).
Pour la suite nous retiendrons la valeur moyenne :
(98,98 + 96,729)
= 97,8545
2
Soit k = 98 N.m-1 si on veut un nombre raisonnable de chiffres significatifs.
D) Construction du marteau à ressort
Quelques étapes de la construction du marteau à ressort (version 1).
vissage
collage
assemblage
Ce prototype nous a permis de faire quelques essais mais très vite nous sommes passées à
la version 2 avec des pièces en laiton car les points de colle étaient trop fragiles.
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E) Etalonnage du marteau à ressort
Il nous a paru indispensable de vérifier que notre marteau délivre bien l’énergie prévue,
pour cela nous avons choisi d’étudier son effet lors de la percussion d’une bille d’acier.
a) Principe.
On mesure par vidéo l’effet produit par le marteau en terme d’énergie. On mesure le
transfert d’énergie potentielle élastique en énergie potentielle acquise par un pendule
simple constitué d’une bille de masse, m, voisine de celle du marteau.
Pendule simple
« Marteau à ressort »
L’acquisition vidéo, faite à l’aide d’un caméscope, est ensuite traitée par le logiciel
Généris 5+©.
18
b) Mesures
Après avoir vérifié n fois que l’avancement du piston était proportionnel au nombre de
tours fait par la manivelle (0,15 mm par tour), nous avons préféré mesurer la compression
du ressort à l’aide d’un pied à coulisse au 1/10ème.
Nous avons reporté dans le graphe ci-dessous la comparaison des énergies calculées (avec
Epe = ½ . k . x2 (énergie potentielle élastique) avec k = 98 N.m-1) et l’énergie potentielle de
pesanteur mesurée avec Généris 5+
Comparaison des énergies
0.8
Energie mesurée (en J)
0.7
y = 0.9736x + 0.0005
R2 = 0.9963
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Energie calculée (en J)
Nous observons que la valeur mesurée représente environ 97,4 % de la valeur calculée, avec
une très forte corrélation. L’écart de 2,6 % sera pris en compte pour les calculs d’énergie
reçue par les clous. Cet écart peut être dû à des frottements comme à des erreurs de
pointage sur la vidéo (nous avons mesuré parfois des valeurs supérieures à celle
calculée !!) .
19
III) Le choix du matériau pour planter les clous
Il existe des clous qui peuvent se planter dans des matériaux très différents, le bois, les
matières plastiques, le béton, mais aussi l’acier très dur M. BURIDANT nous a fait une
démonstration de clou Spit® projeté par une cartouche explosive, il traverse sans
problème 6 mm d’acier, et sans même être émoussé ; c’est TRÈS dangereux.
Nous avons choisi de travailler avec du bois, même si nous savons pour avoir assisté à
l’exposé sur la physique du karaté, que le bois est un matériau anisotrope et que pour
reprendre l’expression de Guillaume « il y a autant de modèles de planche que d’arbres, de
bûcherons, de menuisiers, de marchands de planches… »
Nous avons également choisi de faire une étude sur un matériau isotrope du moins à
l’échelle macroscopique : les plaques en polyéthylène sous dalle (de béton) offre un bon
compromis épaisseur/dureté (le CEA, contacté pour chercher un matériau, nous a dit que
c’était un assez bon choix et qu’ils l’utilisaient pour ralentir les neutrons !!)
IV) Le choix du clou
Nous l’avons déjà exposé, il y a une multitude de clous pour des usages spécifiques. Lequel
choisir ?
• La forme de la tête : nous avons choisi un clou à tête plate pour qu’il y ait un bon
contact entre le marteau et le clou. Cela nous a obligées à positionner le clou de
manière rigoureusement colinéaire à l’axe de frappe du marteau.
• La longueur du clou : la taille d’un clou varie de quelques millimètres à quelques
décimètres, la pointe de 220 mm est couramment utilisée en charpente ; cependant
plus le clou est grand, plus il faut d’énergie pour le planter et, inversement, si le clou
est très petit, il en faut très peu. Mais un autre paramètre entre en jeu : l’épaisseur
du support dans lequel on plante le clou. Plus le clou est grand, plus l’épaisseur du
support doit être importante, cela implique une difficulté de manœuvre et surtout
un coût plus élevé. Pour planter une pointe de 22O mm, il faut une planche d’au moins
23 cm pour éviter l’éclatement du bois (43,50 €, la poutre de 3 m). Il y a aussi un
autre paramètre à prendre en compte : la possibilité pouvoir le plier avec notre
système de frappe. Après plusieurs essais avec les différents marteaux du labo,
nous avons opté pour une longueur de 4O mm.
• La pointe : une pointe diamant standard évite que le bois ne se fende trop.
• La matière : nous avons choisi le fer, en fait de l’acier ordinaire non galvanisé.
Notre choix est donc une pointe tête plate de 40 mm, pointe diamant standard, non
galvanisé.
Nous avons entendu dire que certaines matières pouvaient être mises sur les clous pour
faciliter leur enfoncement, c’est pourquoi nous avons décidé de les passer tous à l’acétone,
pour les dégraisser et de ne les manipuler qu’avec des gants en latex ou une pince
également dégraissée à l’acétone.
20
Nos clous sont-ils tous identiques ?
Pour cela nous avons mesuré leurs dimensions, la longueur au pied à coulisse et le diamètre
au palmer. C’est assez long !
Nombre
Longueur des clous d'un lot
40
35
30
25
20
15
10
5
0
39
39.5
40
40.5
41
41.5
42
Longueurs des clous en mm
Diamètre des clous d'un échantillon
60
50
Nombre
40
30
20
10
0
2.08
2.1
2.12
2.14
2.16
2.18
2.2
Diamètre en mm
Pour les longueurs, les dimensions semblent assez homogènes ; en revanche, pour le
diamètre, il apparaît très nettement deux pics ; vu la taille de l’échantillon (plus de 500
clous) ce n’est pas dû au hasard. Nous avons interrogé un fabricant de clous qui nous a
expliqué que très probablement le paquet de clous était issu de deux bobines de fils
différents et que cet écart était prévu dans les normes.
Nous avons décidé de ne travailler qu’avec les clous d’un diamètre de 2,16 mm et d’une
longueur de 40,5 mm.
V) Choix du système de mesure d’enfoncement des clous
Pour mesurer l’effet des coups de marteaux, il nous a semblé pertinent de mesurer son
enfoncement après chaque choc, c'est-à-dire de relever les altitudes des positions de la
tête après chaque coup de marteau. Pour cela nous disposions de plusieurs méthodes que
nous avions découvert lors des premiers TP de physique en classe de seconde :
21
•
le réglet, double-décimètre dont l’extrémité commence à « 0 », contrairement à
ceux qui se trouvent dans nos trousses. Très rapidement nous avons abandonné cette
technique, car elle ne s’avérait pas suffisamment précise.
•
le pied à coulisse, lui, permet de mesurer très facilement avec une précision au
1/10ème de millimètre pour ceux du laboratoire de physique. Cependant en discutant
avec les agents de l’atelier de notre lycée, lors de nos nombreuses visites, nous
avons découvert qu’ils avaient des pieds à coulisse au 1/50ème de millimètre. Ils ont
accepté de nous en prêter un, en nous rappelant qu’il fallait le rapporter après
chaque séance : 4 étages à descendre, 300 m à parcourir puis 4 étages à remonter,
un peu d’exercice et le plaisir de discuter quelques instants avec ces spécialistes des
problèmes techniques !
•
Pour éviter cette « activité sportive » imposée et intense, surtout lorsqu’on y va 4 ou
5 fois dans l’après-midi, nous avons eu l’idée d’utiliser le système de visée vue en
seconde.
Ecran vu
de face
Rayon rasant
Faisceau de lumière
H
h
Source de lumière
divergente
(vieux projecteur de diapos)
Clou
Planche cible
Ombre de la planche Ombre portée du clou
Schéma de principe
cible
(Pour simplifier nous n’avons pas représenté le système marteau)
D’après la hauteur, H, de l’ombre portée qui est proportionnelle à la hauteur, h, du
clou, une fois étalonné, on peut connaître assez facilement l’enfoncement du clou.
Cependant l’ombre n’étant pas toujours très nette, nous avons renoncé à ce système.
La hauteur de l’ombre était mesurée avec un réglet d’une longueur d’un mètre.
•
Nous avons ensuite pensé à utiliser notre cours d’optique de terminale, c'est-à-dire
obtenir une image bien nette à l’aide d’une lentille convergente. Le clou étant assez
peu lumineux, nous avons choisi d’obtenir son image par contraste en éclairant sa
partie arrière pour une forte source de lumière et un dépoli.
22
Ecran
=
tableau
Dépoli
H
F
h
Source de lumière
puissante
(vieux projecteur de diapos)
Clou
Image de la planche
cible
F’
Planche
cible
Ecran vu
de face
Image du clou
Fil à plomb
La lentille est placée de telle manière que son foyer principal objet soit très
voisin du clou pour obtenir une image lointaine sur le tableau, la lentille utilisée était
selon les cas une +10 δ, une + 5 δ ou une +3 δ. Ce système nous permet, de plus, de
vérifier la parfaite verticalité du clou.
Une fois étalonnée à l’aide d’une cale de dimension connue, nous avons observé une
excellente corrélation avec les mesures au pied à coulisse.
Nous avons utilisé ce système à chaque fois pour vérifier la parfaite verticalité du
clou au départ.
VI) Choix de la position initiale du clou
Nous nous sommes très vite aperçues qu’il fallait une énergie minimale pour
que le clou commence à pénétrer le support. À l’heure actuelle, nous n’avons pas
23
encore pu déterminer avec une précision suffisante cette énergie. C’est pourquoi,
nous avons décidé d’étudier l’évolution de l’avancement du clou à partir d’une même
position. Nous avons demandé à la section Productique du lycée de nous fabriquer un
cube de 35,00 mm de côté. Ce cube nous permet de positionner le clou de manière
verticale et avec un enfoncement de 5,00 mm. C’est arbitraire mais cela nous permet
de nous affranchir de l’effet pointe !
Cale de 35,00 mm
Clou « pré-enfoncé »
Matériaux test
24
Etude expérimentale
I)
La physique mise en jeu
À notre très grande surprise, il n’y a quasiment aucune ressource disponible sur internet,
tant en français qu’en anglais (« hammer » et « nails » le vocabulaire international n’a plus
beaucoup de secret pour nous). Nous avons recherché dans les livres du labo, du CDI, puis
de la bibliothèque municipale … rien. Nous avons demandé à tous les professeurs de
physique, s’ils avaient quelque chose … rien non plus. Nous avons contacté par mail tous les
partenaires des Olympiades de Physique par l’intermédiaire de notre professeur. Nous
avons fait un courrier standard que nous lui avons demandé d’expédier au plus grand
nombre. En effet nous n’avions jamais de réponse, est-ce à cause de nos adresses
électroniques en hotmail.com ou parce que nous sommes de simples lycéennes ? En tout cas,
grâce à M. BURIDANT, nous avons eu quelques réponses (15 sur 246 mails envoyés). Nous
remercions tous ces grands physiciens qui nous ont accordé un peu de leur temps précieux…
pour nous dire qu’en fait ils ne savaient pas grand-chose, que le problème n’avait jamais été
étudié à leur connaissance. Personne ne sait tout sur le sujet mais chacun nous a apporté
une pierre ou démoli notre édifice précaire. Nous remercions encore une fois ici l’ESPCI, le
CEA, le CNRS qui ont accepté d’être nos partenaires.
Cela étant dit, il y a un certain nombre de certitudes :
Le marteau permet par un effet de levier d’accélérer une masse, la tête du marteau, puis
va frapper le clou en lui communiquant de l’énergie et une quantité de mouvement.
II)
Planter un clou d’après la physique
F
Clou
Diamètre, D
L-x
Matériau
x
Le matériau exerce sur le clou (longueur L, diamètre D, module de Young E et de masse
volumique ρ) une étreinte caractérisée par la contrainte σM. A cette étreinte correspond
« une force FN égale au produit de la contrainte σM (normale à la surface latérale du clou)
par la surface latérale enfoncée S » :
25
S = périmètre x hauteur (si on néglige la pointe)
S = 2.π.R = π.D.x
FN= σM π D x
μ désignant le coefficient de frottement entre le clou et le matériau, la résistance à
l'enfoncement, donc la force F à appliquer pour enfoncer le clou, est donnée par la loi de
frottement de Coulomb :
F = μ FN = μ.σM.π.D.x
La force nécessaire à l'enfoncement du clou croît linéairement avec cet enfoncement. Elle
passe par un maximum
FMax = μ.σM.π.D.x
FMax = μ.σM.π.D.L
Lorsque le clou est entièrement enfoncé.
L'énergie WC nécessaire pour enfoncer le clou est donc :
L
WC= ⌠ F.dx
⌡0
L
=⌠
⌡0 μ.σM.π.x.dx .
L
= μ.σM.π.⌠ x.dx
(on sort les constantes de l’intégrale)
⌡0
2 L
x2
⎡x ⎤
= μ.σM.π ⎢ ⎥
(car la primitive de x est
)
⎣ 2 ⎦0
2
L2
02
= μ.σM.π . - μ.σM.π
2
2
Soit finalement :
WC = μ.σM.π .
L2
1
= .FMax.L
2 2
Action du marteau :
C'est le poids du marteau qui enfonce le clou. Un marteau de masse m tombant d'une
hauteur h transmet au clou une énergie :
WM=mgh
Le nombre n de coups de marteau nécessaire à enfoncer complètement le clou est, dans ce
modèle simple :
1
.FMax.L
WC 2
n=
=
WM
mgh
26
n=.
FMax.L
2mgh
Ceci suppose que le coup porté soit rigoureusement perpendiculaire à la tête du clou. Le
raisonnement tenu en statique est admissible (pour être très rigoureux) si la vitesse
d'impact v =
5000 m.s-1)
2gh reste petite devant la célérité du son, dans le clou (dans l’acier
Un marteau tombant d’une hauteur de 1,00 m a une vitesse de
2 x 9,81 x1,00 = 4,43 m.s-1
La condition est donc vérifiée, ce raisonnement est donc valide avec nos marteaux.
D’après ce raisonnement, l’énergie nécessaire pour planter un clou est indépendante de
l’énergie de chaque coup de marteau !
III) Mesures effectuées
Une fois nos marteaux de laboratoire réalisés, nous avons pu procéder à toute une série de
mesures.
A) Dans du bois
Les résultats sont consignés dans le graphe suivant. On y a représenté l’enfoncement d’un
clou en fonction de l’énergie totale reçue, chaque coup de marteau apporte son énergie
qui provoque un enfoncement supplémentaire du clou.
e =f (E)
4
3.5
enfoncement en cm
3
1.39 J
2.5
2.07 J
3.04 J
4.00 J
2
4,52 J
4,92 J
1.5
5.18 J
5,41 J
1
0.5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Energie reçue en J
NB : le bois étant un matériau anisotrope, nous a fallu chaque fois du effectuer cinq séries
de mesures par type de marteau.
27
Il apparaît très nettement que plus les coups de marteau sont énergétiques, moins
l’enfoncement total du clou nécessite d’énergie. Il faut, au total, 20,3 J avec notre petit
marteau (choc à 1,39 J) alors qu’il ne faut que 11,5 J avec notre plus gros marteau (choc à
5,51 J). Il faut 15 coups de marteau dans le premier cas, et seulement 3 dans le second.
De même avec notre marteau à ressort nous obtenons le même type de résultats :
e, enforcem ent en m m
e = f(E) bois
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0.6 J
0.9 J
0
20
40
60
80
E, Energie reçue en joules
Ici encore ce sont les chocs les plus violents qui provoquent un enfoncement plus rapide. Il
faut un très grand nombre de chocs pour enfoncer complètement le clou, environ une
centaine de coups (110 coups à 0,6 J contre 62 à 0,9J). Voilà pourquoi nous n’avons pas
multiplié les mesures, trois séries de mesures : c’est un mercredi après midi !
Nous regrettons de ne pas avoir pu, à l’heure actuelle, établir de corrélation entre les
types de marteaux, nous l’envisageons pour la finale nationale.
B) Dans des plaques de polyéthylène
Pour la plaque de polyéthylène, l’enfoncement est beaucoup plus facile. Nous avons donc été
dans l’obligation d’utiliser notre marteau à ressort, qui est très souple d’utilisation.
Les résultats sont similaires à ceux qui sont obtenus dans du bois. Mais les énergies sont
beaucoup plus faibles.
28
e = f(E)
40
35
enfoncement en mm
30
25
0.20 J
0.10 J
20
15
10
5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Energie reçue en J
IV) Commentaires
Dans chaque cas, nous avons observé qu’il faut moins d’énergie totale lorsque les coups sont
violants. Où est donc passée l’énergie ?? En tout cas, nous n’avons jamais observé de
rebonds !
Hypothèse 1 : Pas de rebond du marteau, la collision est parfaitement inélastique, c’est le
choc mou dont parlaient Guillaume et François dans leur exposé de la physique du karaté.
La vitesse d'enfoncement initiale (et l’énergie cinétique transmise) varient comme :
m1
xVimpact. (m1 masse du marteau, m2 masse (du clou et du bois ?))
(m1 + m2)
Quand le marteau s'alourdit, la vitesse de pénétration et l'énergie transmise augmentent.
Cependant le morceau de bois étant bridé mécaniquement avec le système
marteau/bois/clou, cette hypothèse ne nous séduit guère.
Hypothèse 2 : Le modèle est basé sur un coefficient de frottement clou/matériau
constant. En fait, lorsque l'on a vaincu le seuil de frottement statique, le coefficient de
frottement, lors de l'enfoncement, devient une fonction décroissante de la vitesse
d'enfoncement. Nous avons remarqué que pour pousser un carton lourd, une fois franchi
une limite (le frottement statique) cela devient plus facile (frottement dynamique) après
c’est de l’amusement, cela paraît plus facile quand on va vite. Au lieu de pousser
péniblement et lentement un carton, la plupart des gens vont le plus vite possible comme si
intuitivement ils connaissaient cette loi !
Au demeurant, si de manière générale on constate une diminution de ce coefficient lorsque
la vitesse augmente, ce n'est pas toujours le cas. Les lois d'évolution sont peu prédictibles
et de formes variées (différents types de décroissance ont été mis en évidence). Les
29
professeurs de mécanique du lycée, interrogés à ce sujet, nous ont dit que cela dépend des
cas !
Il existe cependant des modèles peu adaptés à cette situation :
• le frottement adhésif métal/métal
• l'autre adapté à la matière en grains : effet d'avalanche et angle de talus (angle
d'équilibre et angle d'avalanche).
Nous allons essayer de mesurer la variation de ce coefficient de frottement dynamique en
fonction de la vitesse pour la finale nationale. C’est pour l’instant celle que nous retenons.
30
Pourquoi les clous se tordent-ils ?
Il y a deux raisons à cela, l’une purement physique, l’autre humaine.
I)
Les causes physiques du pliage du clou : le flambage
Il est bien connu qu’enfoncer un clou dans un matériau dur est une opération difficile qui se
traduit souvent par le fait que le clou plie au lieu de continuer à s’enfoncer. En effet, une
tige de longueur, l, soumise à une force de compression F se mettra à flamber (fléchir)
au-delà d'une force critique FC dite force critique d'Euler en l'honneur du mathématicien
suisse qui a établi l'équation du flambage.
L'expression exacte dans le cas d'une tige encastrée à son extrémité inférieure (partie
plantée du clou) et libre à son extrémité supérieure (tête du clou) est :
F
π3 E.D4
FC =
256
.
Clou
l
Où :
E est le module de Young du clou (200 GPa)
D, son diamètre
l sa longueur libre.
Diamètre, D
L-x
Matériau
Dans le cas de notre clou :
x
FC =
3
E.D4
256 ( L – x )2
π
.
Dans le cas du clou, la condition de non-flambage (de non-pliage) est obtenue lorsque la
force appliquée : F = μ.σM.π.D.x reste à tout instant inférieure à la force critique du
flambage FC
Remarque : au fur et à mesure que le clou s'enfonce, la force critique du flambage
augmente. Le risque de pliage est donc important au début de l'enfoncement, raison de plus
pour limiter cette force en réduisant l'énergie de frappe donc en enfonçant le clou par
petits coups de marteau.
La condition de non flambage F < FC s'écrit alors :
F = μ.σM.π.D.x
π3
4
< FC = 256 . ( LE.D
– x )2
μ.σM.π.D.x <
μ.σM.x <
π3
E.D4
.
256 ( L – x )2
E.D3
256 ( L – x )2
π2
31
.
D3
σM ( L – x )2
D3
2
x
E (L–x)
π2
L < 256.µ .σM .
L
x
x
L
2
E
π
< 256.µ
.
.
D3
E
π2
< 256.µ . . ( L – x )2.L
σM
x
L
E
π
< 256.µ
.
x
L
D3
E
π
< 256.µ . . ( L3 – 2.L2.x + x2L)
σM
2
σM
.
D3
( L2 – 2.L.x + x2).L
2
x
L
2
E
π
< 256.µ
.
.
x
L
E
σM
2
π
< 256.µ
.
D3
⎛ 2.x x2⎞
L3 ⎜1 –
+ ⎟
L L2⎠
⎝
σM
.
D3
⎛ x⎞2
L3 ⎜1 – ⎟
L⎠
⎝
3
x⎛
x⎞2
E D
π2
1
–
<
.
.
⎜
⎟
L⎝
L⎠ 256.µ σM L3
3
x
E D
π2
2
En posant u = , on obtient u(1-u) <
.
.
l
256.µ σM L3
Y
0.2
0.18
0.16
4
27 0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
1
3
u(1-u)2 = (1-u) (1 – 3u)
32
u
1
La dérivée s’annule pour u=1 et u = , dans ce cas la fonction prend sa valeur maximale pour
3
1
u = soit :
3
4
27
2
E
π
< 256.µ
.
σM
.
D3
Le clou ne plie pas, et s’enfonce jusqu’au bout sans flamber !!
L3
Il faut donc que
D
Soit
L
>
3
D3 4 256μ σM
>
. 2 .
E
L3 27 π
1024 . μ . σM
27 . π2 . E
(voici la relation du nous avons pu établir grâce à l’ESPCI)
L’intérêt de ce modèle était de montrer qu'il doit exister une relation entre la longueur et
le diamètre du clou, pour qu'il ne se plie pas sous l'action d'une force idéalement
perpendiculaire. Donc pour un matériau donné, il est possible de concevoir un clou qui se
plantera sans flamber.
Une application numérique avec :
μ = 0,5 (coefficient de glissement acier/bois variant entre 0,3 et 0,6, les clous étant
dégraissés, cela nous semble raisonnable)
σM = 40 MPa (la résistance à la compression du bois varie de 30 (bois tendres) à 60 (bois
durs) MPa, en fonction de l'espèce).
E = 200 GPa (la module de Young de l’acier)
nous conduit à :
D
>
L
3
1024 0,5 40.106
. 2 .
= 0,07
27
π
200.109
2
soit 0,05, nous sommes à la limite ! Nos approximations
40
montrent que le flambage est possible. Cependant avec nos marteaux expérimentaux, nous
n’avons jamais, à ce jour, plié de clous, alors qu’avec un marteau du commerce, c’est une
chose qui nous arrive assez souvent ! Mais, d’après le CEA, ce n’est pas le flambage qui est
la cause du tordage des clous mais c’est parce qu’ils ne sont pas tapés dans l’axe ! L’Ecole
Polytechnique n’est pas d’accord non plus !
Pour notre clou nous sommes à
33
II) L’erreur humaine
L’erreur humaine est ici une erreur de frappe : si on frappe le clou de biais et non
colinéairement à l’axe, le mouvement du marteau fera plier le clou.
A) Le conflit vitesse précision
Un jour par hasard, alors que nous travaillions à notre projet de maquette pour planter
des clous, Monsieur PIWINSKI est passé voir Monsieur BURIDANT. Celui-ci lui a
exposé nos travaux. Notre Proviseur adjoint, avant de prendre un poste de direction, a
enseigné l’EPS à l’Université où il préparait des candidats à l’agrégation. Il a été tout de
suite très intéressé par notre travail et nous a parlé du conflit vitesse/précision : un
mouvement ne peut à la fois être précis et rapide. Il nous donne toute une série
d’exemples d’applications dans le sport. Ce conflit est plus connu sous le nom de loi de
Fitts.
Le lieutenant-colonel Paul M. Fitts, de l’US Air Force, énonça en 1954 :
« Soit deux cibles de diamètre D, dont les centres sont séparés par une distance A
(amplitude du mouvement), le temps moyen tm d’exécution du mouvement est tel que :
⎞
⎛A
tm = k1 + k2 log2 ⎜ + 1⎟
⎝D
⎠
k1 et k2 sont deux constantes mesurées expérimentalement.
log2(x) est le logarithme en base 2 ou binaire de x, il est tel que log2(x) =
ln(x)
ln(2)
ln(x)
=log (x) plus utilisé par les physiciens.
ln(10)
Donc ln(x) =log (10) . ln(x)
ln(x) log (10) . ln(x)
D’où log2(x) =
=
= K . log (x)
ln(2)
ln(2)
⎛A
⎞
⎛A
⎞
tm = k1 + k2 log2 ⎜ + 1⎟ peut donc s’écrire tm = k1 + k2.K log ⎜ + 1⎟
⎝D
⎠
⎝D
⎠
⎛A
⎞
Soit tm =k1 + k3 log ⎜ + 1⎟ ou encore :
⎝D
⎠
⎛A
⎞
tm = a . log ⎜ + 1⎟ + b
⎜D
⎟
⎝
⎠
De même log10(x) =
⎛A
⎞
Le temps moyen d’exécution est donc une fonction affine de log ⎜ + 1⎟.
⎝D
⎠
B) Vérification expérimentale de la loi de Fitts
Nous avons dessiné sur une feuille des cibles de tailles différentes et compté
mentalement le nombre de coups réussis sur une durée de 10 secondes. Bilan : « doigt
34
explosé » et sur le même essai deux personnes ne trouvaient pas le même nombre : il y
avait jusqu’à 10 coups d’écart ! Il fallait donc trouver une méthode plus fiable.
Nous avons regardé d’abord les logiciels que nous utilisons habituellement en physique :
il n’y a pas de moyen simple de compter des coups. Nous avons tenté une recherche
Internet pour trouver le logiciel et l’interface adaptée : nouvel échec. Nerveusement
nous nous amusions avec la calculatrice Windows en faisant 1+1 =, puis =,=,=,= cela
compte les clics. « C’est un truc comme ça, qu’il nous faut ! ». C’est alors que nous avons
eu l’idée d’utiliser la souris en la détournant de son usage initial, après tout, en classe de
seconde, en MPI, nous l’avions déjà utilisée pour mesurer une vitesse. En shuntant
l’interrupteur du clic gauche de la souris, on sort deux fils, et, dès qu’ils sont en contact
et que le curseur est sur « = », cela incrémente le compteur.
Schéma de principe
Vers PC
Marteau
Cible 2
Cible 1
Remarque : le marteau en cuivre a également été réalisé sur plan par les BTS Productique
Le « top départ » est donné en étant au-dessus de l’une des cibles. On déclenche le
chronomètre et le sujet effectue un maximum de mouvement d’une cible à l’autre
pendant un temps fixé à 10 s. Dès que le temps imparti est écoulé, on écarte la souris
35
de la position « = » est le comptage s’arrête. « Le compteur » donne le nombre de
10
mouvements n, et une bonne estimation du temps d’exécution est tm = . Certes, il ne
n
s’agit que d’une bonne estimation puisqu’un mouvement peut avoir été commencé et non
comptabilisé. De même, l’arrêt du chronomètre est un facteur humain qu’il faut prendre
en considération : pour cela, nous avons toujours affecté la même personne au
chronométrage, Lucie.
Nous avons effectué toute une série de mesures en faisant varier l’indice de
A
difficulté . D’abord sur les quatre membres du groupes, puis les professeurs qui nous
D
encadrent pour ces Olympiades de Physique, ensuite nos camarades de TS2, enfin tous
les élèves des terminales de notre lycée qui passaient par là, soit près de 130
personnes.
Les résultats sont consignés dans le graphe ci-dessous :
Temps d'exécution en fonction de la difficulté
0.45
0.4
temps moyen d'exécution (s
0.35
0.3
0.25
filles
garçons
Linéaire (garçons)
Linéaire (filles)
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
0.2
0.4
0.6
indice de difficulté
0.8
1
1.2
Il apparaît assez nettement que le temps moyen d’exécution varie globalement avec
le log décimal de l’indice de difficulté. D’autre part, nous n’avons pas observé de
36
différences entre les filles et les garçons, comme le montrent les courbes de tendance
linéaire. Notons également que nous avons 4 séries de points contrairement à ce que
montre le graphique, car nous avons 2 fois le même indice de difficulté : des plaques
5x5 à 20 cm, et 10x10 à 40 cm. Les 2 nuages de points sont donc confondus !
C) Effet de l’entrainement
Nous avons ensuite demandé à quelques camarades de bien vouloir s’entraîner pour
améliorer leur score. Prime pour le vainqueur : son nom dans notre rapport. Guillaume
pour les garçons et Marjorie pour les filles !
Les résultats sont dans le graphe ci-dessous :
temps moyen d'exécution
(s)
Influence de l'entrainement
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
après
avant
Linéaire (avant)
Linéaire (après)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
indice de difficulté
L’entraînement augmente bien la vitesse moyenne d’exécution, mais on remarque
également que la pente est plus faible, non seulement l’exécution gagne en vitesse, mais
aussi en précision. Le geste précis semble plus facile.
37
D) Effet de l’augmentation de la masse de l’objet à déplacer
Après ces séries de tests avec une fiche banane pour établir le contact, nous avons
enfin reçu notre marteau en cuivre m= 425g. Nous avons alors recommencé nos
mesures.
Temps moyen d'exécution (s)
Influence de la masse de l'objet
0.7
0.6
0.5
fiche
0.4
marteau
0.3
Linéaire (fiche)
Linéaire (marteau)
0.2
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Indice de difficulté
Ici encore, l’effet de la masse du marteau est mise en évidence : plus elle est grande et
plus le temps moyen d’exécution est grand.
38
III) Comment travaille un professionnel ?
Nous sommes allées voir Monsieur Christian GIN, artisan couvreur. Il vient d’avoir 51
ans et exerce cette profession depuis l’âge de 16 ans, soit 35 ans d’une activité où l’on
plante des clous à longueur de journée. Que ce soit pour fixer des tuiles, ou pour fixer les
chevrons, les liteaux, le feutre sous toiture, … on cloue. Pour lui, la réponse est claire, un
clou, ça se plante en une fois si c’est possible c'est-à-dire si la position de frappe le
permet. En le filmant, nous nous sommes aperçues que sa façon de frapper les clous était
très différente de la nôtre.
Lui tient le marteau par l’extrémité du manche et frappe par un mouvement de rotation au
niveau du poignet. Ci-dessous une photo d’un de nos camarades ayant une frappe un peu
similaire.
Alors que nous, bricoleuses débutantes, nous tenons le marteau par le milieu du manche et
faisons des mouvements de l’avant bras !
On retrouve donc là, un des paramètres du conflit vitesse/précision. Un néophyte
augmente la longueur du geste, ce qui le rend moins précis. Nous avons fait quelques vidéos
de M. GIN dans son atelier, elles ne sont pas très exploitables à cause des contre-jours,
des plans non perpendiculaires aux mouvements et de la vitesse d’obturation du caméscope
trop petite. Nous envisageons de faire de nouvelles vidéos qui seront exploitables en
termes d’énergies pour la finale nationale. Voir un professionnel planter un clou de 100 mm
en une fois, c’est particulièrement impressionnant !
39
Conclusion
De notre étude il ressort qu’il vaut mieux planter un clou en une fois, c’est d’ailleurs ce que
font les professionnels capables d’enfoncer une pointe de 100 mm en un seul coup de
marteau. Cependant, enfoncer en une seule fois, c’est donner une grande énergie cinétique
au marteau donc taper très vite. Or nous avons établi qu’il y avait un conflit entre la
vitesse d’exécution et la précision ; il est d’autant plus marqué que la masse de l’objet est
importante, mais diminué par l’entrainement. Nous n’avons jamais réussi à plier un clou en le
frappant rigoureusement dans l’axe, ce qui montre que le flambage n’est pas la cause
principale du pliage du clou mais que celui-ci se tord parce qu’il n’est pas tapé dans l’axe. Ce
qui explique qu’un couvreur, par exemple, qui plante des clous à longueur de journée, soit
capable de planter un clou, sans le tordre, en une seule fois.
Nous ne sommes jamais parvenues à planter en une seule fois un clou avec un marteau
classique. Nous manquons cruellement d’entraînement à côté des 30 ans d’expérience de
Monsieur GIN. Nous plantons donc un clou avec de nombreux coups peu énergétiques. Dans
notre lycée, un autre groupe travaille sur la casse du verre, et a montré que pour casser un
verre, il faut une énergie assez importante de l’ordre du joule. C’est pourquoi nous
réussissons à planter des clous avec un verre ! Il ne faut donc pas beaucoup d’énergie mais
beaucoup d’expérience et de technique ! A ne pas essayer, car cela peut être dangereux !
40
Remerciements.
M. Olivier BURIDANT, professeur SPCFA, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-mer.
M. Frédéric DUCROCQ, professeur SPCFA, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-mer.
Mme Anne-Charlotte ALLOUCHERIE, professeure SPCFA, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-mer.
M. Patrick RYVES, professeur SPCFA, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-mer.
M. Philippe LANCEL, professeur SPCFA, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer.
M Vincent LEDOUX professeur SPCFA, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer.
M. HERCOUET, professeur de SVT au lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer.
Mme Délia CAULI, professeure de français, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-mer.
M. Jean-Marc PIWINSKI, proviseur adjoint, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer.
M. Jean –Pierre CAPPELLE, chef des travaux, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-Mer.
M. Hervé HEUGUE, professeur de génie mécanique productique, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-mer.
M. Didier DELEAU, professeur de génie mécanique productique, lycée E. BRANLY, Boulogne-sur-mer.
M. Patrick GALIOT, professeur SPCFA, CPGE, lycée Mariette, Boulogne sur mer.
M. Yves SACQUIN, professeur CEA Saclay (DSM/DAPNIA).
M. Bernard CASTAING, ENS Lyon, membre de l’Académie des Sciences section physique.
M. Jean-Claude CHARMET, Laboratoire de Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes, ESPCI
M. Sébastien BALIBAR, Laboratoire de Physique Statistique de l'ENS Ulm
M. Wilfried BLANC, Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, Université de Nice-Sophia
Antipolis.
M. Yves GUIARD, Directeur de recherche CNRS, CNRS & Université de la Méditerranée.
M. Claude STOLZ, Laboratoire de mécanique des solides, Ecole Polytechnique.
Jean-Michel COURTY, Professeur, Université Pierre et Marie Curie - Paris 6.
M. Jean-Claude MIALOCQ, Président du Comité d'Exposition de la SFP.
M. Christian GIN, Artisan Couvreur
Mme Jacqueline LECLERE CNRS.
M. Christian BAJART, R & D, Arc International.
M. Dominique BERTOLA, CERN Genève
Perrine, Clémence, Gilles, Maxime, François, Guillaume, Marion, Claire, Olympiades 2005 et 2006.
MM Philippe PENEL, Bruno HERMAND, et Mmes Betty HENGUELLE, Véronique PRUVOT, Alexandra
HOLLANDER et Sylvie DELETOILLE, personnels de laboratoire (pour leur patience).
MM. François VENEL, Eric BRÉVIER, Jean-Luc DAVID, Alain ROCHES personnels du magasin de
l’atelier du lycée, pour leur précieux conseil.
A tous les personnels du lycée qui ont fait ce qu’ils pouvaient pour nous aider dans notre travail,
La section BTS productique qui nous a usiné des pièces sur mesures.
Aurélien HONVAULT, TS1 IPM (industrialisation des produits mécaniques)
Geoffrey LORGNIER TS1 IPM (industrialisation des produits mécaniques)
Yohann SCAVENNEC, TS1 IPM (industrialisation des produits mécaniques)
Nos camarades des terminales qui ont participé aux tests pour le conflit vitesse /précision.
Nos camarades de la terminale S2 pour leur soutien,
A nos parents pour le travail de relecture et leur patience.
Merci aussi à tous ceux qui nous ont aidées et que nous avons oubliés de citer.
Merci à tous ceux qui ont eu la patience de nous écouter.
41
Bibliographie papier
1) Coups de marteau, J.M COURTY, Z. KIERLIK, Pour la science - N° 299 - Septembre
2002, p. 106-107
2) Blocages parfaits, .M COURTY, Z. KIERLIK, Pour la science - N° 305 - Mars 2003,
p. 106-107
3) Guide des sciences et technologies industrielles, J. L FANCHON, Edition Nathan,
2005
4) Formulaire technique, K. GIECK, Ed. VERLARG, 1986
5) Guide du technicien en productique, A. CHEVALIER, J. BOHAN, Edition Hachette,
2003.
6) Travaux pratiques de physique chimie, de la seconde à la terminale ; O. BURIDANT,
F. DUCROCQ,
G. GOMEZ,
M. MARGARIT,
A. MARGARIT ;
G. NAGLIK, F. PLET, P. RYVES ; Edition Bordas, 2003
42
J.L. MAURIN,
Webographie :
Loi de Fitts :
http://perso.orange.fr/aubert.cyril/Fitts.html
http://www.tsi.enst.fr/~cfaure/Humain/Hum9.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Fitts'_law
loi de Fitts complet en anglais
http://en.wikipedia.org/wiki/Paul_Fitts
Biographie de Paul Fitts
http://www.ec-nantes.fr/servlet/com.univ.utils.LectureFichierJoint?CODE=1148715329206&LANGUE=0
Thèse sur flambement.
http://www.imprimerie.polytechnique.fr/Editions/Files/p_T3.pdf
Force critique d’Euler.
http://catalogue.polytechnique.fr/cours.php?id=2544&type=site
Catalogue de polytechnique.
http://www.lms.polytechnique.fr/users/letallec/cours05.pdf
Cours de polytechnique.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_de_Coulomb_(m%C3%A9canique)
Loi de frottement de Coulomb.
43
Ce que m’ont apporté les Olympiades de Physique (Marjorie)
J’ai découvert les Olympiades de Physique en classe de seconde avec une équipe qui
présentait un sujet portant sur la Physique du karaté : « Pourquoi le petit Bruce Lee est-il
plus fort que le grand John Wayne ? » Grâce à notre professeur de physique qui encadrait
ce groupe, nous avons pu découvrir leur projet en assistant à leur exposé afin qu’il soit
préparé à passer devant des personnes qu’ils ne connaissaient pas. J’ai trouvé leur travail
très intéressant et l’année suivante, en classe de première, un autre groupe dont le sujet
était « Un mirage + un mirage = une belle image » de la physique se présentait aux
Olympiades. J’ai également assisté à leur exposé que j’ai trouvé fort enrichissant.
L’idée du sujet nous est venue lors d’une soirée où nous étions toutes les quatre et
nous sommes tombées sur l’émission Fort Boyard au moment où le candidat doit affronter
un maître des jeux au plantage de clous. Le but étant d’enfoncer le clou le premier. Avec
Pauline, nous avons commencé à faire des pronostics sur qui, du maître des jeux ou du
candidat, allait gagner. Nous avons remarqué que les deux personnes tapaient sur les clous
de différentes façons ; quelquefois ils tapaient plus fort et quelquefois ils tapaient plus
doucement. Nous nous sommes alors demandées pourquoi ils ne tapaient pas de la même
force à chaque fois et nous n’avons pas trouvé de réponse alors nous avons demandé à
notre professeur qui nous a dit que cela pourrait être un sujet intéressant à présenter aux
Olympiades de Physique. Du coup, nous nous sommes inscrites aux Olympiades avec comme
sujet : « Vaut-il mieux planter un clou en n petits coups ou en un grand coup ? ».
Au fur et à mesure que les jours passaient, nous avions l’impression que notre projet
n’avançait pas énormément mais en réalité, nous avions quand même fait beaucoup de
choses. Pour effectuer certaines maquettes dont nous avions besoin pour par exemple
étudier le conflit vitesse – précision ou encore pour simplement faire des mesures afin que
la force exercée sur le clou soit toujours la même, nous avions besoin de matériel ainsi que
de fabriquer nos pièces sur mesure. De ce fait nous avons demandé à l’atelier du lycée s’il
pouvait nous fournir les matériaux dont nous avions besoin et nous avons demandé à la
classe de BTS IPM (Industrialisation des Produits Mécaniques) s’il pouvait nous fabriquer
les pièces nécessaires. Grâce à eux, nous avons pu faire nos maquettes. Nous avons envoyé
plusieurs e-mails à différentes personnes mais nous n’avons pas eu de réponses tout de
suite. Plus tard, notre professeur a envoyé des demandes d’aide à plusieurs instituts et
nous avons eu des réponses ; ce qui nous a permis de confirmer ce que nous pensions.
Personnellement, je trouve que participer aux Olympiades de Physique est très
enrichissant. En effet, nous apprenons beaucoup de choses très intéressantes que nous
n’aurions pas forcément apprises lors d’un cours de physique normal. De plus, le fait de
participer aux Olympiades de Physique nous a permis de découvrir les autres sections que
proposent notre lycée ainsi que beaucoup de personnes qui y travaillent et que nous ne
côtoierions pas dans le cadre des cours normaux.
Pour terminer, les Olympiades de Physique ont été une expérience très agréable car l’on
apprend énormément de choses en s’amusant, en recherchant par nous-mêmes et surtout,
nous travaillons avec des personnes que nous apprécions ; ce qui nous permet de resserrer
44
nos liens, de travailler dans une bonne ambiance et de nous soutenir mutuellement lorsque
l’un d’entre nous commençait à se décourager en ayant l’impression que le projet n’avançait
pas.
Si je devais résumer mon expérience des Olympiades de Physique en quelques mots,
ce serait : une expérience formidable et très enrichissante que je conseillerais à tout le
monde !
Le mercredi 13 décembre 2006 a été un jour particulièrement important pour nous.
En effet nous avons été à Reims pour participer à la première sélection des Olympiades de
Physiques. Nous nous sommes donc bien préparées pour cette journée. Nous avons donc
répété plusieurs fois notre sujet afin d’être au point pour ce jour. Nous voilà donc le jour
J, ce fameux jour tant attendu ! Rendez-vous 8h au labo du lycée pour les dernières
vérifications du matériel ; après l’installation dans le bus qui pris un certain temps, nous
sommes enfin parties !!Dans le bus le stress commença à monter un peu. Nous sommes
arrivées au lycée Roosevelt de Reims et le stress monta encore d’un cran. Nous avons
transporté tout le matériel dans une salle puis nous avons été mangé. Ensuite nous avons
monté nos expériences. Comme l’agencement de la salle n’était pas la même que la salle où
l’on répétait dans notre lycée, nous avons mis quelques temps à décider où nous allions
mettre les différentes expériences pour permettre au jury de toutes les voir sans pour
autant cacher le diaporama ou nous cacher nous-même. Après plusieurs changements de
place et le stress qui montait encore car nous n’arrivions pas à les placer, nous y sommes
enfin parvenues grâce à l’aide de notre professeur. Ensuite, il nous restait encore un peu
de temps avant que le jury n’arrive et nous en avons profité pour répéter une dernière fois.
Plus je voyais l’heure avançait et plus le stress montait !!! Le jury est arrivé et là le stress
était à son maximum ! Nous avons donc commencé l’exposé et au fur et à mesure la pression
baissait. Nous étions contentes de nous car nous avions réussi à gérer notre stress face au
jury. A l’annonce des groupes qualifiés pour Paris, le stress remonta ; nous espérions être
qualifiées. Un des membre du jury annonça les groupes qualifiés, plus nous entendions les
autres groupes qui étaient retenus, et plus nous étions anxieuses. 4 groupes sur 5 avaient
déjà été pris; il n’en restait plus qu’un … nous !!! Après cette journée riche en émotions,
nous sommes reparties. Dans le bus, c’était la fête ! La joie était au rendez-vous vu que les
3 groupes de notre lycée étaient qualifiés pour Paris.
Marjorie ANDRIEUX
Terminale S2,
Spécialité physique chimie
17 ans
45
Ce que m’ont apporté les Olympiades de Physique (Laurie)
J'ai connu les Olympiades de physique en classe de seconde avec le sujet sur « la
physique du karaté » et en classe de première avec « 1 mirage + 1mirage = 1 belle image ».
À première vue, cela avait l'air très intéressant .C'est lors d'une soirée entre filles, en
regardant l'émission Fort Boyard, que l'idée de notre sujet nous est venue. En effet, le jeu
consistait à enfoncer un clou et c'est le premier, entre le joueur et le maître des jeux, qui
enfonce le clou entièrement qui gagne ! Ainsi, nous nous sommes inscrites aux Olympiades
de Physique. Après avoir longuement réfléchi sur le sujet, nous nous sommes demandées :
« vaut-il mieux planter un clou en 1 fois ou en n fois ? »
Les premiers jours furent difficiles. Effectivement, nous ne savions pas par quoi
commencer mais petit à petit, avec l'aide de notre professeur, M. Buridant, le sujet avança
tout doucement ! Mais, on a tout de même l'impression au fur et à mesure des semaines que
le sujet n'avance pas beaucoup, alors que c'est tout le contraire ! Malgré certains échecs
parfois, nous n'avons jamais baissé les bras !
Les Olympiades m'ont apporté beaucoup de choses. C'est une expérience très
positive ! D'une part, même si cela nous prend tous les mercredis après-midi et tout notre
temps libre, les olympiades sont une expérience à ne pas rater, et que je conseillerais à
tout le monde de faire. Cela enrichit notre culture générale, notre esprit ! Il se crée un lien
avec les professeurs qui est plaisant. C'est aussi une expérience où des liens avec d'autres
personnes se nouent ! De plus, j'aime la physique, je trouve ça fascinant. Les Olympiades
sont plus qu'une expérience, une aventure avant tout ! D'autre part, beaucoup d'élèves
pensent que les Olympiades sont une corvée car le programme de terminale est déjà bien
chargé et que nous travaillions sur notre temps libre. Mais moi je dirais que c'est une belle
aventure, qui nous apprend beaucoup de choses comme par exemple, à bricoler comme
scier, planter un clou … car, pour des filles, cela semble quand même assez complexe à la
base et le bricolage est, à première vue majoritairement réservé aux hommes ! Mais cela
sert souvent dans la vie quotidienne lorsqu'il n'y a pas d'homme à la maison ! De ce fait, les
Olympiades peuvent apporter un plus pour nous.
Le 13 Décembre 2006, nous sommes allées à la finale interacadémique de Reims.
Nous sommes parties le matin pour une journée qui s’annonçait longue et stressante. Une
fois arrivés à Reims le midi, nous avons installé le matériel dans une salle puis nous sommes
allées manger. Cependant, l’une d’entre nous est tombée malade et le stress était alors à
son comble. Ensuite, nous avons regagné notre salle pour répéter une dernière fois avant
l’arrivée du jury. Même si nous avons appréhendé ce moment, tout s’est très bien déroulé.
Nous avons été très enthousiasmées par leurs commentaires favorables à la poursuite de
notre projet. Ainsi, après délibération du jury,nous avons pu connaître les résultats et à
notre plus grande satisfaction, notre groupe et les deux autres groupes de notre lycée
furent sélectionnés pour la grande finale qui se déroulera le 2 et 3 février prochain à Paris.
Après cette immense joie, il était l’heure de repartir. Dans le bus, ce fut la fête jusqu’à
46
Boulogne sur Mer (chansons, rires…). Voilà une journée que l’on n’oubliera pas, riche en
émotion, joie, bonheur et c’est à notre plus grand plaisir que l’on essaiera de faire mieux à
Paris car cela arrive à grand pas et la pression nous envahit de jour en jour.
Laurie HAVART,
Terminale S2,
Spécialité physique chimie.
17 ans.
47
Ce que m’ont apporté les Olympiades de Physique (Pauline)
J'ai connu les Olympiades de Physique en classe de 1ère avec la présentation de "un
mirage + un mirage = une belle image (de la physique)" par Perrine Cagneaux et Clémence
Bernardy. Leur projet était très intéressant et l'expérience des Olympiades me semblait
être sympathique et enrichissante. C'est pour cela que je n'ai pas hésité à m'inscrire
lorsque l'on nous l'a proposé en terminale.
Lors d’une soirée à quatre, en regardant Fort Boyard, l’épreuve du clou entre un
candidat et un maître du jeu a capté toute notre attention. Le gagnant est celui qui
enfonce en premier le clou. Nous nous sommes alors demandées ce qu’il y a de physique
dans le plantage du clou. C’est ainsi que l’on s’est dit que ce serait peut-être un sujet
pertinent et original pour les Olympiades. Nous avions donc la problématique de notre futur
projet : Vaut-il mieux planter un clou en une fois ou en n fois ?
De là, l'expérience commença véritablement. Les premiers temps, nous cherchions
des informations théoriques sur le clou: son histoire, sa fabrication, etc. Et tout ce qui
était en rapport avec les clous: les types de marteau, les matériaux dans lesquels un clou
peut être planté, etc ... Cependant, que ce soit dans les livres ou sur Internet par exemple,
nous n'avons trouvé que quelques renseignements sur le clou, à croire que cet ustensile de
bricolage utilisé fréquemment depuis toujours reste finalement un mystère...
Nous nous sommes donc penchées tout de suite sur la physique du clou. Comment
faut-il taper sur le clou, quel matériau choisir, pourquoi le clou plie-t-il?... des tas de
questions se posèrent rapidement, surtout pour quatre filles, non expertes du bricolage!
Nous avons par conséquent proposé des hypothèses, expérimenté, inventé quelques
maquettes. Tout n’était pas simple, il y a eu des échecs, quelques difficultés à surmonter,
des moments de doute et de découragement... le soutien de chacune d’entre nous s’est
avéré indispensable. L'aide de nos professeurs nous a bien sûr été très utile, notamment
celle de M. Buridant, notre professeur de Physique-Chimie.
Pour ce projet, nous avons passé nos mercredis après-midi au lycée, les heures où
nous n'avions pas cours étaient consacrées aux Olympiades, ce qui fait pas mal de travail et
surtout beaucoup de temps. Mais une très bonne entente toujours présente, dans le
groupe, avec les professeurs, et avec les autres groupes participant aux Olympiades, fait
que l'on s'amusait tout en s'instruisant, et le travail n'apparaît donc pas comme un devoir
de plus, mais une aventure amusante que l'on ne regrette pas.
Les Olympiades de Physique ont été une splendide expérience pour moi. D'abord au
niveau du groupe, je m'entendais déjà très bien avec mes trois autres amies, mais le fait
de travailler dans un esprit de groupe, de surmonter les difficultés ensemble, et
d'apprendre en s'amusant, nous a encore plus rapprochées. De plus, cette expérience m'a
48
apporté énormément de choses, non seulement des connaissances sur le clou, mais aussi sur
la physique en général. Chercher par soi-même, découvrir et inventer représente les buts
que je me suis fixée pendant ce projet, et qui maintenant me sont plus familiers. Les
Olympiades, c'est également savoir se débrouiller seul; faire le tour du lycée pour trouver
une pièce utile aux maquettes; être en contact avec le personnel et les élèves des ateliers
du lycée que l'on ne croise habituellement très rarement; c'est aussi être plus proche des
professeurs qui nous soutiennent; et rencontrer de nouvelles personnes, comme des
physiciens à qui nous avons demandé de l'aide.
Le 13 décembre 2006, nous avons présenté notre exposé à Reims pour la finale
inter académique des Olympiades de Physique. Ce fut une journée pleine d’émotions. En
effet, le matin nous sommes parties en bus avec une barre au ventre par le stress. Une fois
à Reims, nous avons installé tout le matériel et répété une dernière fois notre oral après
avoir mangé rapidement. Nous angoissions beaucoup à l’idée de passer devant le jury, mais
finalement tout s’est déroulé à merveille. Nous étions fières de nous et encore plus lorsque
nous avons appris les résultats environ une demi-heure plus tard. Nous étions qualifiées
pour la finale à Paris, ainsi que les deux autres groupes de notre lycée. Vous imaginez alors
la joie et l’ambiance qu’il y a pu avoir au retour dans le bus. Cette journée restera je pense
inoubliable ! La prochaine étape est donc la finale à Paris. Nous nous préparons ainsi pour
être au meilleur de nos exigences, et nous espérons autant de réussite qu’à Reims…
Si je devais dire un mot sur les Olympiades de Physique pour symboliser ce que l'on
vit, ce serait: essayez...
Pauline LÉTENDART
Terminale S2,
Spécialité physique chimie
17 ans.
49
Ce que m’ont apporté les Olympiades de Physique (Lucie)
En début d'année 2004, M. Ryves professeur de Physique Chimie est venu parler aux
élèves de seconde des olympiades de Chimie. Malheureusement, je n'ai pu participer à
cette aventure. Mais en début de première, Perrine et Clémence sont venues présenter
leur projet sur les mirages.
Un samedi lors d'une soirée télé, nous sommes tombées sur l'émission Fort Boyard.
Je suis sûre que le principe du défi, entre le maître du jeu et l’invité, sur le plantage du
clou vous est parvenu à l’oreille. Et bien notre histoire de clou a commencé grâce à cette
émission. Nous nous sommes prises au jeu de savoir qui des deux joueurs allaient planter le
clou le premier. Nous nous sommes mises à la place du joueur en se demandant comment
nous pourrions mettre toutes les chances de notre côté pour remporter l’épreuve.
À la rentrée 2006, lorsque notre professeur nous a reparlé des Olympiades nous
nous sommes toutes regardées en pensant la même chose : l’épreuve du clou. Bien
évidemment, nous sommes allées voir M. Buridant en lui exposant notre idée et notre envie
d’approfondir notre sujet. De plus en y repensant le sujet est plutôt unique en son genre
surtout avec une équipe de quatre filles.
Enthousiastes au début, nous nous sommes vite rendu compte de la somme de travail
que nous devions fournir. Il est vrai que le sujet simple au premier coup d'œil s'est avéré
plus compliqué que prévu. De plus les demandes et les démarches que nous avons
effectuées n’ont pas abouti tout de suite. Même aujourd’hui, notre projet n’est pas fini et
beaucoup de choses sont encore à découvrir. Cette expérience nous a appris à persévérer
et à être patiente (rester plus de quatre heures dans une salle à entendre le bruit du
marteau contre les plaques de la maquette du conflit vitesse précision vous donne une envie
de hurler et un sacré mal de crâne).. ET je n’aurais jamais imaginé pouvoir dire autant de
choses sur le clou.
Une expérience telle que celle-ci m'a permis de prendre conscience que tout ce qui
nous servait dans la vie de tous les jours avait un rapport avec la physique.
Sur un plan plus personnel, les Olympiades m'auront apporté une nouvelle vision du
lycée. J'ai pu y découvrir le personnel, ceux qui travaillent dans l'ombre. J'ai pu
comprendre que le lycée ne se limitait pas au simple bâtiment du lycée général mais qu'il
comprenait aussi les bâtiments du lycée technique : les ateliers, les salles de classes
spécialisées, mais aussi les machines. La première fois que j'ai vu cette allée de machines
toutes différentes en taille et en fonction, j'ai été surprise. Je dois souligner l'adresse
des élèves du lycée technique qui nous ont aidées à construire nos maquettes, leur habileté
à créer des pièces au centième de millimètre près m'a laissé coite.
Le travail que nous avons effectué nous a aussi rapproché des professeurs de
physique chimie, mais aussi de ceux des autres matières et des préparateurs de
laboratoire. Elle nous a aussi permis de nous rapprocher toutes les quatre, c'est une
expérience humaine. Cette aventure m'a permis de découvrir une autre facette de la
physique que je ne connaissais pas, et que je n'aurais sans doute jamais découverte sans
50
elle. Si je devais résumer cette fabuleuse histoire qui marquera une partie de ma vie, je
dirai aventure à tout point de vue et découvertes …..
Le mercredi 13 décembre a été une longue journée, mais elle a surtout était très
spéciale pour nous: jour de la finale Inter académique des Olympiades de Physique. Il était
d’autant plus spécial qu’il est tombé le jour de la Ste Lucie : ma fête. On a alors vu cela
comme un signe de chance.
Pour préparer ce jour si important, les heures de travail en plus des cours se sont
accumulées, mais nous avons tenu bon malgré une baisse de confiance.
Le jour J, après une séance de chargement, le bus est devenu calme, révisions
obligent. Nous sommes arrivé au lycée Roosevelt pour manger, mais l’appétit n’était pas là :
l’heure approchait et nous n’avions pas encore installé le matériel. Le stress est alors
réellement apparu, maux de ventre impossibilité de se concentrer, sursaut à chaque pas ou
bruit.
Et puis l’heure fatale est arrivée, le jury est entré dans la salle. À ce moment-là, on
se dit qu’on n’y arrivera jamais, mais heureusement pour affronter ça on est quatre. À la
fin de l’exposer, on nous demande de sortir de la salle, et au moment où la porte se
referme derrière nous, on explose enfin. Je pense qu’à cet instant nous nous sommes rendu
compte de ce que nous avions abattu comme travail.
Le matériel chargé dans le bus une étape des plus importante de cette journée pas
comme les autres : les résultats. Le stress est alors remonté d’un coup, les noms des
projets se sont succédés sans que le notre ne soit mentionné et puis miracle le dernier fut
le notre. La pression est alors retombée, c’était magique.
Le retour à Boulogne a été énergique et joyeux, nous nous sommes tous mis à
chanter, à aucun moment le son n’a baissé car les trois groupes de Branly étaient qualifiés.
Le débarquement à alors eu lieu dans une ambiance de rigolade, tout en restant assez
calme pour ne pas réveiller le lycée. Le soir, je me suis alors dit en me remémorant cette
superbe journée que j’étais heureuse d’y avoir participé et encore plus de pouvoir la
continué avec les filles. Rendez-vous était pris pour Paris…
Lucie QUÉVAL
Terminale S2,
Spécialité physique chimie
17 ans
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