Une boîte de conserve sur un toboggan

Voici une expérience très simple montrant que le frottement entre deux solides est fortement diminué si on intercale entre eux un mince film d’eau. C’est ainsi qu’un pneu roulant sur une route mouillée peut perdre complètement son adhérence et mettre une automobile en aquaplaning (et son conducteur en danger).

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • une boîte de conserve ;

  • un bécher ;

  • une planche dont la surface est lisse ;

  • une cale ;

  • accessoires : un marteau et un clou.

Montage et réalisation

Faire un plan incliné avec une planche lisse et une cale. Faire quelques trous dans le fond d’une boîte de conserve vide en utilisant un marteau et un clou. Poser la boîte de conserve sur le plan incliné. Placer un bécher contenant de l’eau dans la boîte de conserve. Augmenter doucement l’inclinaison de la planche jusqu’à ce que la boîte commence à glisser. Diminuer très légèrement l’inclinaison : la boîte ne glisse plus. Ne plus toucher à l’inclinaison de la planche (on appellera l’angle que fait le plan incliné avec l’horizontale). Verser dans la boîte de conserve l’eau du bécher et reposer le bécher par-dessus : la boîte se met à glisser sur le plan incliné (voir la photo).

Explications

Le protocole de réglage permet de s’assurer que la force de frottement statique entre la boîte de conserve et le plan incliné est juste suffisante pour maintenir le système en équilibre. Toute diminution de cette force de frottement se traduira par la rupture de cet équilibre donc la mise en mouvement de la boîte.

L’eau qui s’écoule par le fond de la boîte crée un film liquide entre la boîte et le plan ; il n’y a plus de contact direct entre les deux solides. Comme les molécules d’eau peuvent glisser les unes sur les autres, la force de frottement entre la boîte et le support diminue fortement : l’équilibre est rompu et la boîte se met en mouvement.

Remarques

Il faut percer les trous de l’extérieur vers l’intérieur, ce qui est d’ailleurs la façon la plus simple de procéder, afin que de petites barbes de métal tournées vers l’extérieur n’empêchent pas la boîte de glisser normalement.

Le dispositif avec le bécher et l’eau dans la boîte paraît un peu compliqué au premier abord. Son intérêt est que la masse de la boîte est la même dans les 2 cas, que la boîte reste en équilibre ou qu’elle glisse (si l’on néglige la masse de l’eau qui s’est écoulée par les trous). On peut modifier la présentation en plaçant côte à côte sur le plan incliné deux boîtes identiques, le fond de l’une d’elles étant percé de trous. Verser de l’eau en parallèle dans les deux boîtes : c’est celle qui est percée qui glisse en premier sur le plan incliné.

Cette expérience permet d’expliquer le phénomène d’« aquaplaning » (aquaplanage en français). C’est un phénomène important qu’il faut connaître pour prévoir l’adhérence d’un véhicule sur route mouillée.

L’expérience de mécanique des solides « La carte retrouvée » montre également que les forces de frottement dépendent de la nature des surfaces en contact.

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