Calculer un coefficient de frottement 1ere S

[HappyCharly2]

Bonjour à tous,
Dans le cadre de nos TPE de 1ere S, nous voudrions calculer un coefficient de frottement entre une chaussure et un sol, du bois par exemple, mais aussi du carrelage sec, mouillé... Nous cherchons donc une expérience simple sur plan incliné ou plat (c'est préférable) pour calculer ce coefficient de frottement, mais aussi pourquoi pas, tout ce qui s'en rapproche (accélération, ect...). Il est trop difficile à notre niveau de comprendre les forces tangentielles, ect... et nous avons fait déjà beaucoup de recherches sans trop comprendre ce qu'on lisait...
Je demande donc votre aide pour comprendre comment on pourrait calculer un coefficient de frottement avec une expérience simple avec du matériel simple de laboratoire de lycée.
Merci infiniment d'avance pour l'aide que vous fournirez.

Des premières S
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[albanxiii]

Bonjour et bienvenue sur le forum,

Une petite précision : vous voulez calculer ou mesurer ce coefficient de frottement ? Ça n'est pas la même chose.

[jacknicklaus]

Il faut déjà comprendre qu'il existe deux types de coefficients

- le coefficient statique
exemple : tu pousses horizontalement, et de plus en plus fort, une armoire de 50kg. A un moment, celle ci va commencer à glisser.
le coefficient statique est le rapport de la poussée horizontale par le poids. Il est la plupart du temps plus petit que 1 mais rien n'interdit "à priori" qu'il ne soit plus grand.

- le coefficient dynamique
tu continues à pousser ton armoire. C'est une expérience commune de constater qu'il suffit de pousser moins fort pour entretenir le glissement, que pour mettre en mouvement l'armoire au début.
la valeur du coefficient est toujours le rapport de la poussée horizontale par le poids. Mais subtilité, il dépend (en général) de divers paramètres dont la vitesse de glissement.


Pour mesurer le coef statique, il est simple de poser l'objet sur un plan incliné, de le relever petit à petit jusqu'à ce que l'objet glisse. Un peu de trigonométrie élémentaire que je te laisse faire permet de relier le coef et l'angle que fait le plan incliné avec l'horizontale.


Pour le coef dynamique, c'est plus compliqué, pas sûr que ce soit du niveau 1ère S.

attendons d'autre avis...

[HappyCharly2]

Je ne sais pas si je veux calculer ou mesurer le coefficient de frottement mais j'aimerai trouver des valeurs comme 0,8 pour un pneu ect.. il me semble qu'il s'agit du coefficient de frottement.. Quelle est la différence entre les deux? Si je mesure le coefficient de frottement, est-ce que ce sera la même valeur que si je le calcule?
Merci pour votre aide

[A voir en vidéo sur Futura]

[HappyCharly2]

jacknicklaus
Dans le cas de l'adhérence d'une chaussure de sport, est-il plus intéressant de calculer le coefficient statique ou le coefficient dynamique? Je pense que l'on veut chercher le coefficient statique, ce sera déjà pas mal.. Mais je n'ai pas bien compris votre méthode: je pose l'objet sur le plan incliné, relève celui-ci de plus en plus jusqu'à ce que l'objet glisse. A ce moment je relève l'angle où l'objet a glissé. Mais je ne comprends pas le calcul que je dois faire par la suite..
Merci pour votre aide

[Black Jack 2]

Bonjour,

Il faut partir de quelques relations élémentaires.

Soit P le poids de l'objet posé sur le support incliné d'un angle alpha par rapport à l'horizontale.

Soit N, la composante normale au plan incliné de la réaction du support sur l'objet : N = P.cos(alpha)

Soit T la composante tangentielle au plan incliné de la réaction du support sur l'objet : T = P.sin(alpha)

Et pour l'angle alpha auquel l'objet commence juste à glisser, on a la relation T = N * µs avec µs le coefficient d'adhérence (souvent indûment appelé coefficient de frottement statique) entre l'objet et le matériau du plan incliné.

De ces 3 relations, en éliminant P, tu peux facilement trouver la relation liant alpha et µs

[HappyCharly2]

Bonjour, merci beaucoup pour votre aide.

Si je comprends bien, on a:
P=m*g avec m la masse de l'objet et g l'intensité de pesanteur (9,81N/kg environ)
N=P*cosinus(alpha) avec alpha l'angle à partir duquel l'objet commence à glisser sur le plan incliné
T=P*sinus(alpha)
et T=N*µs avec µs le coefficient de frottement statique pour les deux matériaux choisis.

donc on en déduit µs=N/T ce qui est égal à µs=cos(alpha)/sin(alpha)

Dites-moi si je trompe dans mes calculs.

Si cela est juste, j'ai une autre question: le coefficient d'adhérence que l'on trouvera ne sera valable qu'avec ces deux matériaux, c'est ça? C'est à dire que si l'on change la matière du plan incliné ou l'objet, il faut refaire un calcul de coefficient d'adhérence?

Par ailleurs, j'ai entendu parler d'une autre méthode avec un objet posé sur une table, que l'on tire avec une poulie reliée avec une masse.. qu'en dites-vous? Comment alors calculer le coefficient de frottement grâce à cette expérience?

Merci beaucoup

[phys4]

et T=N*µs avec µs le coefficient de frottement statique pour les deux matériaux choisis.

donc on en déduit µs=N/T ce qui est égal à µs=cos(alpha)/sin(alpha)

Dites-moi si je trompe dans mes calculs.

Si cela est juste, j'ai une autre question: le coefficient d'adhérence que l'on trouvera ne sera valable qu'avec ces deux matériaux, c'est ça? C'est à dire que si l'on change la matière du plan incliné ou l'objet, il faut refaire un calcul de coefficient d'adhérence?

Par ailleurs, j'ai entendu parler d'une autre méthode avec un objet posé sur une table, que l'on tire avec une poulie reliée avec une masse.. qu'en dites-vous? Comment alors calculer le coefficient de frottement grâce à cette expérience?

Vous avez inversé la relation donnant µs, il faut trouver T/N !
Oui le coefficient dépend des matériaux, donc il faut une mesure pour chaque couple de matériaux.

Avec une traction sur un plan horizontal, vous pouvez aussi obtenir le coefficient, la formule est toujours T/N avec des valeurs T et N à déduire des conditions.

[jacknicklaus]

Par ailleurs, j'ai entendu parler d'une autre méthode avec un objet posé sur une table, que l'on tire avec une poulie reliée avec une masse.. qu'en dites-vous? Comment alors calculer le coefficient de frottement grâce à cette expérience?

c'est exactement la même chose que pour le plan incliné, mais plus délicat à faire car il faut un moyen d'augmenter finement (et mesurer!) la masse suspendue jusqu'à ce que l'objet glisse. Moins facile que simplement relever un plan incliné.

il y a plein de choses intéressantes à faire avec ces expériences. Par exemple l'influence du poids. Est-ce que le coefficient de frottement d'une semelle lestée de 5kg est le même que le coefficient de frottement de la même semelle lestée de 20kg ? Ou encore, est ce que deux briques posées l'une à côté de l'autre, et tenues ensemble par un collage, glissent au même angle que deux briques posées l'autre sur l'autre ?

Il y a matière à beaucoup de créativité sur ces expériences très simples à réaliser. L'occasion de faire preuve de sens physique pour interpréter les résultats. Très bon choix de TPE.

[HappyCharly2]

Merci beaucoup pour ces quelques mots "très bon choix de TPE" qui font du bien parce que le sujet me paraît assez complexe et il n'y a pas beaucoup de ressources ni sur le web, ni dans des livres (vous avez peut-être des livres parlant du sujet?)

Mais comme nous aimerions montrer que l'on n'a pas survolé le sujet mais qu'on y a réfléchit (et que nos profs nous charrient pour nous dire que le plan incliné ne reflète pas la réalité), j'aimerais savoir comment on pourrait appliquer la formule µs=T/N (qui est basé sur un angle) à un plan plat avec une poulie (puisqu'il n'y a pas d'angle)..
Bref j'aimerais savoir si c'est possible d'avoir plus d'informations sur le plan plat car cela m’intéresse particulièrement..

D'autre part oui j'ai vu que certaines expériences montraient les facteurs qui faisaient évoluer le coefficient de frottement, et j'ai été fortement surpris par certaines!

Merci beaucoup de répondre à mes questions aussi précisément

[HappyCharly2]

Bonsoir,
oui en effet, grosse erreur d'inattention! Et d'accord pour les couples de matériaux, je voulais en être certain..

Concernant le plan plat, comment s'applique T/N puisqu'il n'y a pas d'angle alpha?

Merci beaucoup pour tant de réponses

[Dynamix]

Salut

Concernant le plan plat, comment s'applique T/N puisqu'il n'y a pas d'angle alpha?

Plan plat , c' est un pléonasme

Souviens toi que T et N sont des forces .

[jacknicklaus]

Concernant le plan plat, comment s'applique T/N puisqu'il n'y a pas d'angle alpha?

heu..., c'est quand même évident non ?

si la masse de l'objet sur le plan (plat ) est 1kg, et que la plus petite masse sous la poulie, telle que l'objet tiré par cette masse commence à glisser, est 800g, ben ca te fait un coef T/N = 0.8/1 = 0.8. C’est tout de même pas sorcier !

PS
(Remarque : en toute rigueur, il faut faire T/N en parlant forces, donc Newton, mais dans le cas d'un objet de masse M1 tiré par une masse M2 sous une poulie, le rapport des forces T/N est égal au rapport des masses M2/M1. Tu vois pourquoi ?)

[HappyCharly2]

http://olivier.granier.free.fr/Seq05...ca-solide.html

J'avoue avoir du mal à comprendre pourquoi. Il y a quelque chose que je ne saisis pas, c'est comment s'appliquent les forces sur la table, et dans quel sens vont N et T. Il y a les forces N et T pour M1 et N' et T' pour M2 ,selon l'image?

[jacknicklaus]

http://olivier.granier.free.fr/Seq05...ca-solide.htmlIl y a quelque chose que je ne saisis pas, c'est comment s'appliquent les forces sur la table, et dans quel sens vont N et T.

là, tu exagères un peu. En 1ère S, on est capable de trouver çà tout seul. Je te laisse y réfléchir, c'est hyper basique.

[phys4]

Pour le plan horizontal, les axes de N et t sont encore perpendiculaire et parallèle au plan.
Donc N devient le poids de la masse à déplacer N = M1*g et T est la tension transmise par la poulie égale au poids de M2 : T = M2*g
le coefficient vaut encore T/N = (M2*G) / (M1*g) et nous pouvons simplifier g, il reste M2/M1

Ce soir, j'enfonce des portes ouvertes, je ne sais pas si ça rajeunit ou l'inverse ?

[obi76]

D'un autre côté au vu du programme actuel, ce genre de truc est au delà du programme de première S si je ne dis pas de bêtises (encore plus en début d'année)...

Cela dit je rejoins l'avis de jacknicklaus : au vu de vos connaissances, ce sujet me parait très bien, car il utilise des concepts que vous connaissez déjà avec un approfondissement qui peut devenir très complexe, et largement au delà de ce que l'on peut vous demander au lycée. Du coup le champ de jeu est très, très vaste.

[ansset]

bjr,
j'éviterai à ta place de prendre une chaussure ( sa structure n'est pas homogène )
pour paraphraser un peu ce qui a été dit, je te laisse ce petit lien sur les ( deux ) types de frottements.
il me semble abordable:
http://ressources.univ-lemans.fr/Acc...a/frotte2.html

[HappyCharly2]

Bonjour,
En effet, cela m'aide. J'arrive à comprendre comment s'appliquent N et T. Merci beaucoup

[HappyCharly2]

Bonjour,
Tout s'éclaircit. Merci beaucoup.
Par ailleurs, le programme de physique en première S n'aborde pas les forces, de frottements et autres...

On apprend en troisième qu'il existe des forces, on apprend que les forces ont un point d'application, direction, sens, valeur.

En seconde, on révise les forces de mouvement, inertie ect.. et les différents différentiels (). On apprend également la description d'un mouvement, uniforme, accéléré et décéléré. On apprend les forces de base comme le poids, la réaction du support mais ça na va pas beaucoup plus loin mais le but du chapitre est plus l'inertie.

C'est donc assez compliqué de découvrir des forces (N et T par exemple) en essayant de réfléchir à son point d'application, sa direction, à son sens et à sa valeur.
Je découvre complètement ces forces donc je fais des schémas pour comprendre mais c'est difficile, même si c'est peut-être évident pour vous..

[HappyCharly2]

Bonjour,
C'est compris. C'est peut-être simple mais ça m'a demandé du temps avant de comprendre. Merci de votre aide.

[ansset]

content pour toi, bon TPE !
Cdt

[trebor]

Bonjour à tous,

Il est indiqué ici sur ce lien que :

Amontons puis Coulomb ont établi expérimentalement les lois du frottement entre deux surfaces en contact.
- La force de frottement s'oppose au mouvement.
- Elle est proportionnelle à la force normale exercée sur le corps.
- Elle ne dépend pas de l'aire de contact.
- Quand le mouvement commence, la force de frottement diminue et ensuite elle est pratiquement indépendante de la vitesse du déplacement.
- La force de frottement est fonction de l'état de surface et de l'état de propreté des surfaces (rôle des lubrifiants).

Je me demande pour quelles raisons la majorité des voitures actuelles ont des pneus bien plus large que les véhicules plus anciens.

La 2 CV étant un cas bien connu avec des pneus très étroit bien plus aérodynamique que les pneus large actuels.

La pression au cm² étant plus faible sur un pneu large que sur un pneu étroit.

L'avantage d'un pneu étroit serait donc d'améliorer sa pénétration dans l'air et donc de réduire la consommation de carburant.

Ce qui n'est pas le cas sur les voitures actuelles, voir la Fiat 500 et autres petites voitures avec leurs pneus larges.

Ceci confirme l'utilité de l'ABS :
Quand le mouvement commence, la force de frottement diminue et ensuite elle est pratiquement indépendante de la vitesse du déplacement.

[trebor]

Le lien :
http://ressources.univ-lemans.fr/Acc...a/frotte2.html

[ansset]

attention, dans le cas pneu, à ne pas confondre force de frottement dynamique ( lié au glissement ) et adhérence lié aussi à d'autres paramètres du pneu.

[Dynamix]

- Elle ne dépend pas de l'aire de contact.

En première approximation ...

Quand le mouvement commence, la force de frottement diminue et ensuite elle est pratiquement indépendante de la vitesse du déplacement.

Petite précision pour éviter toute confusion:
Quand le dérapage commence, la force de frottement diminue et ensuite elle est pratiquement indépendante de la vitesse du glissement.

[Dynamix]

attention, dans le cas pneu, à ne pas confondre force de frottement dynamique ( lié au glissement ) et adhérence lié aussi à d'autres paramètres du pneu.

L' adhérence est liée au frottement statique .

[ansset]

celui ci dépendant de la structure du pneu ainsi que de l'état de la chaussée.
bref: le pneu ou une structure roulante n'est pas un bon "objet" pour le TPE en question.
prendre plutôt une brique d'un matériau X sur une surface Y.
varier les paramètres et faire les mesures ad hoc.

[trebor]

attention, dans le cas pneu, à ne pas confondre force de frottement dynamique ( lié au glissement ) et adhérence lié aussi à d'autres paramètres du pneu.

Quelle différence y a t-il entre le coefficient de frottement et l'adhérence au niveau statique ?

L'important pour un pneu c'est évidement que l'adhérence soit maximum avant le glissement, donc la question est pour son comportement en situation statique (grâce à l'ABS qui empêche les roues de bloquer lors du freinage d'urgence ).

Un vélo de course est un bon exemple d'adhérence maximum recherchée pour une moindre résistance à l'avancement de la roue et une meilleure pénétration dans l'air.

Une roue large de voiture doit certainement avoir une résistance plus importante au roulement ainsi qu'une moins bonne pénétration dans l'air.

Peut-être est-ce pour réduire la déformation du pneu dans les virages, surtout pour les tailles basses ?

Pas très écolo ces pneus larges ?

Pour la moindre résistance au roulement, il ne doit pas avoir meilleur qu'un train sur ces rails, mais pour l'adhérence ce n'est pas terrible, les pentes devant être réduites.

[ansset]

diverses considérations intéressantes, qu'il serait intéressant de poursuivre et commenter, mais qui sont HS dans le cadre du TPE ( déjà ambitieux / programme 1ère S )
veux tu faire un fil à part ?
Cdt