Physique sur glace

Physique sur glace
La physique est partout dans ce qui nous entoure. Le simple fait de s’asseoir sur une
chaise, marcher dans la rue, sauter en parachute impliquent des concepts concrets de la
physique. Le patinage artistique ne fait pas chambre à part. En le décortiquant, on
s’aperçoit que c’est également une activité complexe. Comme dans tous les sports, un
grand nombre de principes physiques s’appliquent. Nous vous proposons un article qui
démontre les lois qui agissent sur les figures du patinage de fantaisie.
Le frottement
Le frottement est une force qui s’oppose à un mouvement. Elle est généralement dirigée
dans le sens contraire du mouvement. Il existe deux types de frottements : statique et
cinétique. Celui statique est une force qui empêche le mouvement de commencer
(exemple : une pomme sur comptoir) tandis que celui cinétique s’oppose à un
mouvement, mais permet le glissement de deux corps l’un par rapport à l’autre. Dans le
patin artistique, le patineur doit constamment lutter contre les forces de frottements
cinétiques puisque les patins et le corps sont en mouvement constants sur la surface
glacée. (Frottement cinétique) Avez-vous déjà remarqué que lorsque vous patinez à
grande vitesse et que vous vous laissez aller, vous ralentissez jusqu’à l’arrêt complet de
votre glisse? Le facteur responsable de votre arrêt n’est nul autre que le frottement de
l’air et de la glace sur vous.
Saviez-vous que…?
Les premiers patins étaient fabriqués avec
des os de bœuf en lame mince et polie.
Force du mouvement
Force de frottement
De plus, le frottement de la lame du patin et de la glace est négligeable comparativement
à des bottes sur le sol, car la lame en acier fait fondre la glace durant son passage. Le
frottement du patin cause de la chaleur ce qui fait fondre la glace en eau. Cette eau
améliore grandement le glissement du patin en réduisant les coefficients des forces de
frottements et en augmentant la vitesse du patineur. Les bottes quant à elles, ne
provoquent pas assez de frottement pour dégager de la chaleur. Elles ne glissent pas en
raison du frottement élevé entre la chaussée et les semelles. Ici, il s’agit plutôt d’un
mouvement d’adhérence entre le sol et la semelle.
La gravité
Tous les objets et les êtres vivants à la surface de notre planète sont attirés par le centre
de la Terre par ce qu’on appelle la force gravitationnelle. Les athlètes du patin ne font pas
exception à la règle. Lors de l’exécution d’un saut, le patineur monte puis redescend.
C’est un phénomène dû à la gravité.
Les lois de Newton
La première loi de Newton stipule qu’un objet ou une personne reste immobile ou à
vitesse constante en absence de forces extérieures appliquées sur lui.. Un exemple concret
avec notre sujet est qu’un patineur, sans frottement ou force extérieure appliquée,
appliquée
resterait immobile ou à vitesse constante, et en ligne droite jusqu’à l’infini. Pour
P
qu’un
patineur puisse accélérer, ralentir, freiner, repartir, tourner et sauter, des forcesdoivent
agir sur lui et ses patins.
La troisième loi de Newton est celle d’action
d’action-réaction.
réaction. Ce principe stipule que si un corps
A exerce sur un corps B une certaine force, le corps B exerce sur le corps A la même
force mais de sens opposé. Imaginons qu’un joueur se soccer frappe un ballon. Le joueur
applique une force de 10 N sur le ballon avec son pied et le ballon, en retour, exerce une
force du 10N sur son pied. Il s’agit de deux forces opposées mais de même valeur.
valeur Le
schéma ci-dessous peutt vous aider à mieux comprendre le phénomène.
Isaac Newton (1642-1727)
Il est un mathématicien, un physicien et un astronome anglais
mondialement reconnu. Il a établi 3 lois fondamentales sur la
mécanique. C’est à lui qu’on doit la découverte de la gravité et il a
également mis au point le calcul des fluxions qui devenu avec le
temps, le calcul différentiel et intégral.
ntégral. Avec une telle contribution
contri
à
la science, Newton est incontestablement un des plus grands génies
que la Terre aitconnus.
Appliquons cette loi au patin artistique. Le lever en rotation
(comme on peut le constater sur l’image) est une figure du
patinage en couple qui illustre parfaitement la troisième loi de
Newton. L’
L’homme applique avec ses bras et ses jambes une force
sur la femme pour la propulser dans les airs afin qu’elle exécute
une rotation complète tandis que la femme exerce la même force
sur l’homme qui re
recule sur la glace à cause de l’impulsion reçue.
reçue
La force centripète
La force centripète est une force qui maintient un corps dans un
mouvement circulaire.Dans
Dans la spirale de la mort (illustré ci-joint),
la force centripète est présente puisqu’elle permet au couple de
tourner sur eux-mêmes
mêmes et de conse
conserver leur mouvement de
rotation jusqu’à ce qu’ils décident d’arrêter.
Énergie mécanique et MRUA
A
Un axel consiste à faire un tour et demi dans les airs en partant avec le pied gauche sur la
glace pour atterrir sur le pied droit pour une patineuse droitière. Commençons par étudier
l’énergie mécanique lors d’un saut. L’énergie mécanique est étroitement liée au
mouvement des objets. Elle est la somme de l’én
l’énergie
ergie potentielle et de l’énergie
cinétique. L’énergie mécanique reste constante tout au long de la figure
figure(l’unité
(l’unité de mesure
de l’énergie est le Joule).. L’énergie potentielle est l’én
l’énergie
ergie d’un corps par rapport à sa
s
hauteur.
ur. Elle est donc à son apogée quand la patineuse
neuse atteint la hauteur maximale (au
point A sur le schéma ci-dessus).
dessus). L’én
L’énergie cinétique est l’énergie liée au mouvement
d’un objet.. Donc, plus la vitesse du sportif est grande, plus l’énergie cinétique est grande.
Si on néglige les frottements
ents et le moment d’inertie
d’inertie, l’énergie cinétique est à son zénith
lorsqu’il n’y a pas d’hauteur (a
(au point 2 et B sur le schéma ci-dessus). Pour mieux
comprendre comment l’énergie varie au cours d’un saut, vous pouvez vous référer au
graphique ci-dessous.
Légende
Em= Énergie mécanique
Ec= Énergie cinétique
Ep= Énergie potentielle
La vitesse initiale et la vitesse finale du axel est un mélange entre les concepts du
mouvement rectiligne uniformément accéléré (MRUA) et de la conservation de l’énergie
mécanique. C’est le même principe que lorsqu’on lance une balle vers le ciel. Au départ,
la balle a une vitesse initiale quelconque et, plus elle gagne de la hauteur, plus sa vitesse
diminue jusqu’à ce qu’elle atteigne 0 m/s. À ce moment précis, la hauteur de la balle est à
son maximum. À cause de la gravité, la balle ne reste pas longtemps au sommet. Elle
redescend et prend de la vitesse. Son accélération est équivalente à celle de son
ascension, mais de signe opposé. C’est pourquoi la vitesse et la position du patineur varie
lors de son axel et de n’importe quel autre saut. Tout ce qui monte doit redescendre. La
position doit aussi être prise en compte. Le graphique position/temps suivant représente
clairement la situation. Le patineur prend de la hauteur et à un moment donné lorsqu’il
est à sa hauteur maximale et que sa vitesse est nulle, il redescend pour revenir à son
altitude initiale. Tout se produit en une fraction de seconde.
La position d'un patineur dans les airs, lors de l'éxécution d'un saut
en fonction du temps
12
10
8
Position du
patineur
6
4
2
0
0
5
10
15
20
Temps
James Prescott Joule (1818-1889)
Joule est le premier scientifique ayant démontré ce qu’est
l’énergie. Ses expériences ont permis de créer la loi de la
conservation de l’énergie. Il a aussi fait sa part dans le domaine de
l’électricité. Il a découvert l’effet Joule c’est-à-dire que de la
chaleur est dégagée quand le courant électrique traverse des
bobines de fil. Grâce à ses multiples travaux et son travail
exemplaire, l’unité du travail et de l’énergie du système
internationale porte fièrement son nom.
Le moment d’inertie
Le moment d’inertie est en fait la répartition de la masse d’un corps autour de son axe
principale. Ce qu’il faut savoir est que si une grande partie de la masse est loin du centre
de rotation, le moment d’inertie augmente et la vitesse diminue. L’inverse est aussi vrai.
Adaptons cette règle à une pirouette du patinage artistique. Le but d’une pirouette est
d’avoir une grande vitesse de rotation et de pouvoir prendre différentes positions lors de
cette rotation. Pour y arriver, le patineur doit ramener les bras près de l’axe de rotation
c’est-à-dire près de son corps. Ainsi, le moment d’inertie diminue,car ses bras sont près
de son torse et la vitesse du mouvement circulaire augmente. En un cours laps de temps,
le patineur doit arrêter sa rotation. Il écarte alors les bras, ce qui entraine une
augmentation du moment d’inertie et, par le fait même, une diminution de sa vitesse. Il
peut alors passer à un autre mouvement spectaculaire aisément.
Pour conclure, les principes physiques sont très présents dans toutes les sphères du patin
artistique. Comme vous avez pu le constater, le frottement, les lois de Newton, l’énergie
mécanique, MRUA et le moment d’inertie font partie intégrante de ce sport. Une bonne
connaissance de la physique et du sport peuvent vous amener à mieux performer. C’est
avec l’aide de tels fondements que Joannie Rochette et Patrick Chan sont devenus ce
qu’ils sont, des champions incroyables et des athlètes olympiques.
Annabelle Grubissa et
Dominique Boivin
Bibliographie
•
Manuel Quantum, Physique, 2010, Chenelière Éducation.
Médiagraphie
•
https://aducharme.bdeb.qc.ca/?p=124
•
http://sciences.blog.lemonde.fr/2010/02/23/la-physique-du-patinage-artistique/
•
https://cours.etsmtl.ca/ctn258/notes/chapitre_7.pdf
•
www.wikipédia.fr