Pour les intéressés, voici ma fiche synoptique :
Introduction :
Suite à l’écoute du son strident provoqué par le crissement d’une craie sur un tableau, j’ai trouvé intéressant de me questionner sur son origine physique. Et intuitivement, j’ai pensé que ce phénomène était lié aux contacts frottant existants entre la craie et le tableau, je me suis donc renseigné sur ces derniers.
Au cours de mes recherches, je me suis aperçu que le contact frottant pouvait être à l’origine de nombreuses instabilités physiques. Et que l’une d’entre elles, l’instabilité de type stick-slip (ou collé-glissé), était responsable de phénomènes que nous pouvons percevoir dans la vie de tous les jours : crissement de freins, son émis par le déplacement de l’archet sur une corde de violon ou encore crissement d’une craie sur un tableau.
Je me suis donc demandé : comment mettre en évidence de façon contrôlée des instabilités de type stick-slip ?
Démarche :
Ayant compris que l’origine du phénomène de stick-slip résidait dans l’existence d’une différence entre le coefficient de frottement statique et le coefficient de frottement dynamique du contact frottant considéré, j’ai été amené à mesurer ces derniers pour un contact frottant de type papier kraft/papier kraft.
Ainsi, pour calculer le coefficient de frottement dynamique de notre surface d’étude, j’ai réalisé l’expérience de Timoshenko, en utilisant un batteur de cuisine et une barre métallique recouverte de papier kraft. En filmant, puis en étudiant les oscillations de la barre, je suis remonté au coefficient de frottement dynamique.
Puis, pour mesurer le coefficient de frottement statique de notre surface d’étude, j’ai été amené à construire un plan incliné, d’inclinaison variable. Et en repérant l’inclinaison pour laquelle une masse, recouverte de papier kraft, glissait sur le plan incliné, j’ai pu calculer le coefficient de frottement statique.
Et, pour mettre en évidence, expérimentalement, le phénomène de stick-slip, j’ai construit un dispositif utilisant un tapis roulant et un ressort, pour reproduire le modèle choisi lors de l’étude théorique. De plus, pour appuyer l’expérience, j’ai réalisé une modélisation informatique sous Maple. J’ai pu ainsi comparer les prévisions du modèle théorique avec la réalité expérimentale.
Enfin, par une méthode statique, j’ai étudié la raideur du ressort utilisé dans les expériences. Pour cela, j’ai accroché le ressort à une potence, et à son extrémité, j’ai accroché des masses de différentes valeurs. En mesurant pour chaque masse l’allongement du ressort, je suis remonté à la constante de raideur du ressort.
Plan :
I - Généralités sur le contact frottant
- Modèle simple des lois de Coulomb
- Origines des instabilités générées dans le contact frottant
II - Instabilité de type stick-slip
- Modélisation théorique
- Comparaison avec les résultats expérimentaux
III - Mise en application du phénomène de stick-slip dans le crissement d’une craie sur un tableau
Bilan du TIPE :
Ce TIPE m’a permis de comprendre qu’avec des lois simples et un modèle bien choisi, nous pouvions modéliser divers phénomènes physiques en apparence complexes.
Cependant, le modèle d’étude choisi, à un degré de liberté, est un modèle simple qui n’est plus valable pour des phénomènes qui font intervenir des ondes de type stick-slip à plus grande échelle, par exemple lors de l’étude des tremblements de terre.
Bibliographie :
Livre :
- HILD J.-C., Union des professeurs de physique et de chimie - Réalisation de l’expérience de Timoshenko, 2001
Internet :
), tu peux estimer que tu as mesuré avec X% de précision, avec nn% de certitude
!!