Etes-vous à la recherche d'une bonne expérience sur les frottements et la mécanique ? Et voilà: les Olympiades de Physique vous offrent à cet effet l'expérience « frottement d'une corde ». A l'issue de celle-ci, vos élèves comprendront comment une simple corde peut permettre d'arrimer un bateau entier. Et pourquoi un câble de frein rouillé est une chose plutôt pénible.
Photo: Chris Lawton, unsplash.com
Comment l'expérience est-elle construite ?
Vos élèves analysent le frottement entre une corde et un barreau. L'expérience comporte trois exercices :
Détermination des forces lors d'un frottement statique maximal, détermination du coefficient de frottement statique.
Détermination des forces lors d'un frottement cinétique, détermination du coefficient de frottement cinétique.
Détermination des forces lors d'un frottement cinétique en fonction de l'angle d'enroulement et du coefficient de frottement cinétique.
Qu'apprennent mes élèves ?
Ils se confrontent à la loi d'Euler-Eytelwein et la comprennent.
Ils peuvent expliquer pourquoi quelques tours de corde autour d'une bitte d'amarrage suffisent à amarrer un lourd bateau.
Ils apprennent à monter, exécuter et évaluer une expérience de physique.
Vous pouvez motiver vos élèves à tenter cette expérience, car
elle est surprenante ;
elle explique un phénomène de tous les jours ;
elle permet de déduire une loi physique générale à partir de moyens très simples.
De quoi a-t-on besoin pour cette expérience ?
Ficelle
2 dynamomètres à ressort (domaines de mesure 0 – 3 N, 0 – 10 N)
Attention : selon l'orientation des dynamomètres lors de leur utilisation (verticalement contre le haut, verticalement contre le bas, horizontalement), leur échelle doit être mise à 0 au moyen de leur vis de réglage.
Matériel de fixation : étau de table, tige de statif, noix de serrage, tige de mesure de frottement
Papier pour graphiques
Seau, récipient rempli d'eau, balance
Set de poids
Papier absorbant
A qui s'adresse l'expérience ?
Idéalement aux classes situées à deux ans de la maturité. Les élèves devraient connaître la fonction exponentielle. Des élèves plus jeunes peuvent par contre déjà explorer le phénomène en lui-même.
Combien de temps dure l'expérience ?
Environ 150 minutes. Mais il faudra probablement compter plus de temps pour une solution exhaustive.
Tester plusieurs diamètres de barreau. Le « haha ! » étant que l'effet ne dépend que de l'angle d'enroulement.
Discuter d'exemples d'application. Par exemple les câbles de frein de vélo mal huilés ou rouillés. L'effort nécessaire devient vite très grand pour une faible efficacité de freinage.
Qui l'a inventée ?
Cette expérience a été élaborée par Markus Meier à partir d'une idée provenant des Olympiades Asiatiques de Physique 2012.
Barbara étudie les mathématiques au niveau Master à l'EPF de Zurich. Elle a participé aux Olympiades Internationales de Physique 2014 au Kazakhstan. Depuis, elle collabore à la traduction et correction des examens auprès des Olympiades de Physique et a déjà également accompagné des équipes suisses à des compétitions internationales.
Markus a étudié et passé sa thèse en physique à l'EPF de Zurich. Il collabore aux Olympiades de Physique depuis bientôt dix ans et a accompagné des équipes lors de trois Olympiades Internationales de Physique. Dans le cadre de son travail d'enseignant de physique à l'Alte Kantonsschule d'Aarau, il prépare régulièrement des élèves aux Olympiades. Il prendra sa retraite à l'été 2018.
