Physique de sports de glisse

Physique de sports de glisse
Sujet proposé par : David QUÉRÉ et Christophe CLANET
Laboratoire d’accueil: PMMH, ESPCI.
I / Introduction
Ce sujet de thèse porte sur l’étude de systèmes à faible friction. Il est structuré en deux parties, l’une traitant de l’entraı̂nement de particules par des ondes et l’autre de l’effet
du mouillage sur la friction lubrifiée. Dans le contexte du Sport, le premier est lié au
surf et le second au ski (fart). Ces deux parties sont détaillées ci-dessous.
II / Le Surf : ou l’entraı̂nement de particules par des ondes
Dans la limite des faibles pentes, il est commun de dire que les ondes de surfaces ne transportent pas de matière hors la dérive de Stokes [1, 19] et de citer l’exemple classique du
bouchon de pêche. Même si ceci est vrai pour les particules fluides cette affirmation est erronée pour des particules solides qui peuvent être transportées à la vitesse des ondes. Dans
le régime stationnaire, les conditions de ce transport ont été établies par W.D. Hayes [10]
pour rendre compte des ”Wave riding dolphins”. Ce transport à grande vitesse (typiquement
la dizaine de mètres par seconde) et à faible coût énergétique (le corps reste quasiment immobile) est utilisé par les mammifères marins [figure 2-(a)] mais aussi par les humains et ce
depuis au moins 4000 ans [figure 2-(b)]. Initialement confiné aux côtes du pacifique, ce mode
de transport est devenu un sport (Surf) qui motive des aménagement côtiers spécifiques [18].
(a)
(b)
Figure 1: (a) Surf de dauphins (b) Petroglyphe Hawaien daté de -1500 représentant un surfeur [7].
Dans le cadre de cette thèse, nous étudierons la transition bouchon de pêche/surfeur, c’est à
dire les conditions d’entraı̂nement de particules initialement immobiles à la surface du liquide
et soumises à un passage d’ondes. L’étude sera menée dans un canal à houle initialement
avec des particules émergées de faible friction (gouttes en caléfaction). Nous travaillerons
avec des gouttes d’azote liquide dont nous avons caractérisé la friction [14]. En changeant
l’amplitude et la longueur d’onde de la houle, nous établirons les conditions d’entraı̂nement
pour chacune des tailles de gouttes. Cette première étape sera complétée par l’étude des
particules immergées (sphériques et profilées). Cette étude expérimentale va s’étendre sur
la première année et nous la complèterons par le développement de modèles théoriques dans
le troisième semestre.
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III / Le fart : ou de l’effet du mouillage sur la friction lubrifiée
Contrairement au surf, le ski est une activité spécifiquement humaine, pratiquée au moins
depuis le néolithique [5, 11, 16]. Un exemple de pétroglyphe daté de 4000 ans est présenté
sur la figure 2-(a). Comme le surf, ce mode de locomotion est énergiquement très avantageux
[9]. Et ce d’autant plus que la friction ski-neige est faible. Ce ”contrôle” de la friction est
assuré par le fart, qui est un revêtement appliqué sur la semelle du ski et dont les règles
d’utilisations empiriques sont variées et illustrées sur la figure 2-(b).
(a)
(b)
Figure 2: (a) Gravure néolithique représentant des traces de ski et des skieurs, retrouvée dans une
grotte du nord de la Russie [11] (b) Exemple d’instructions pour le choix de fart.
A côté de ce savoir empirique, plusieurs études physiques ont été menées pour caractériser
la friction solide/neige, à la fois en statique [2, 3] et en dynamique [4, 8, 12]. Il ressort
de ces études que la friction est hétérogène et comprend aussi des zones où un film d’eau
sépare le ski de la neige [15, 20] avec des effets de mouillage et de pollution de surfaces [13].
Ce que nous souhaitons dans cette partie, c’est étudier les effets spécifiques du mouillage
sur cette friction lubrifiée. L’expérience consistera ici à reprendre les expériences de plan
incliné de Galilée avec un plan recouvert de neige (obtenue avec un canon à neige miniature)
et des palets de formes, masses et mouillabilité différentes. Une attention particulière sera
apportée à la limite non-mouillante que nous étudions dans l’équipe depuis plusieurs années
[6, 17].
IV / Bibliographie
[1] F. Ardhuina et al., Dérive à la surface de l’océan sous l’effet des vagues Wave-induced drift at
the ocean surface, Comptes Rendus Geoscience, Volume 336, Pages 1121-1130, (2004).
[2] L. Baaurle, Sliding Friction of Polyethylene on Snow and Ice, PHD Dissertation, Swiss Federal
Institute of Technology Zurich, (2006).
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[4] S.C. Colbeck, The Kinetic friction of snow , Journal of Glaciology, vol 34, pp 78-86 (1988).
[5] L.J.Dresbeck, The Ski: Its History and Historiography, Technology and Culture, vol 8, pp 467479 (1967).
[6] G. Dupeux, M. Le Merrer, C. Clanet and D. Quéré Trapping leidenfrost drops with crenelations,
Physical Review Letters, vol 107, pp 114503 (2011).
[7] S. Egan, D.V.Burley, Triangular men on one very long voyage: the context and implications of
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vol 118, pp 209-232 (2009).
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[10] Hayes W.D., Wave riding of dolphins, Nature, vol 172, pp 1060 (1953).
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[13] L. Kuzmin, M. Tinnsten, Dirt absorption on the ski running surface — quantification and influence on the gliding ability, Sports Engineering, vol 9, pp 137-146 (2006).
[14] M.Le Merrer, C.Clanet, D.Quéré, E.Raphael, F.Chevy, Wave drag on floating bodies, PNAS,
vol 108, pp 15064–15068 (2011).
[15] D. Lind and S. P. Sanders, The Physics of Skiing, Springer-Verlag, New-York,1996.
[16] A. C. Parker, Snow-Snake as Played by the Seneca-Iroquois, American Anthropologist, vol 11,
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[17] Piroird K., Clanet C., Quere D., Magnetic control of Leidenfrost drops, Physical Review E, vol
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[18] B. E. Scarfe, T. R. Healy and H. G. Rennie, Research-Based Surfing Literature for Coastal
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[20] D. A. Wiens, Sliding Skis and Slipping Faults, Science, vol 279, pp 824-825 (1998).
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