TP 6-1 : Etude du frottement sur banc expérimental - Lycée de L ...

professeur : J-Y Loussouarn
Objectif de l'éleve :
Sciences de l’Ingénieur
Découvrir le phénomène du frottement dans une liaison et son incidence sur l’équilibre d’un
système.
Objectifs du professeur :
Découvrir :
1 – Introduction
Vous avez à votre disposition :
Masses
marquées
• le phénomène du frottement dans une liaison ;
• l’incidence du frottement sur l’équilibre d’un système
Structure plan
incliné
Dynamomètre 10 N
TP 6-1 :
1h
Etude du frottement sur
banc expérimental
Caisse plastique
Dynamomètre 5 N
Plaque plastique
Rapporteur
Plaque « métal »
et « mousse »
Balance
électronique
Tp 1-1 : Contacts entre solides page 1

1. Expérience n°1 : caisse vide
1.1 Expérience avec plaque plastique
Mettez en place sur la structure métallique du plan incliné une plaque en plastique.
Soutenez le plan incliné de telle sorte qu’il soit en position horizontale (rapporteur sur 0°), mettez une
petite caisse moulée en plastique sur la plaque en plastique.
Plaque plastique
Descendez doucement et sans à-coups le plan incliné. Relevez l’angle d’inclinaison « ∝ » du plan incliné
indiqué par le rapporteur correspondant à une amorce de mouvement de la caisse plastique moulée (cette
phase s’appelle « phase d’équilibre strict ». Complétez alors dans la première colonne du tableau du
document réponse (il faut recommencer cette expérience deux autres fois). Calculez l’angle moyen
« ∝ moyen » (valeur moyenne) correspondant à vos trois essais.
1.2 Expérience avec plaque métal coté « métal »
Mettez en place sur la structure métallique du
plan incliné une plaque en métal (revêtement
métallique vers le haut).
Reconduisez l’expérience précédente et notez les
valeurs de l’angle d’inclinaison « ∝ » dans la
deuxième colonne du tableau du document
réponse. Calculez l’angle moyen « ∝ moyen
» (valeur moyenne) correspondant à vos trois
essais.
1.3 Expérience avec plaque métal coté « mousse »
Retournez la plaque utilisée précédemment de
telle sorte que le coté « mousse » soit vers le
haut.
Reconduisez à nouveau l’expérience et notez les
valeurs de l’angle d’inclinaison « ∝ » dans la
troisième colonne du tableau du document
réponse. Calculez l’angle moyen « ∝ moyen
» (valeur moyenne) correspondant à vos trois
essais.
Angle α
Angle α
Plaque
métal coté
« métal »
Caisse vide
Plaque
métal coté
« mousse »
Caisse vide
Tp 1-1 : Contacts entre solides page 2

2. Expérience n°2 : caisse chargée
Reconduisez les trois séries de trois essais en chargeant la caisse avec une masse de 1,5 kg. Remplissez le
tableau correspondant sur le document réponse (n’oubliez pas de calculez l’angle moyen « ∝ moyen »
correspondant aux différentes expériences).
3. Analyse des expériences 1 et 2
Remplissez le premier tableau du document réponse 2 puis le deuxième tableau en cochant les réponses
correspondant aux conclusions des expériences que vous avez menées.
4. Modélisation des actions mécaniques (pour les expériences 1 et 2)
Le schéma ci-dessous présente un modèle d’étude pour la caisse posée sur la plaque coté « mousse » pour
un angle d’inclinaison du plan incliné de 13,5° : la caisse ne glisse pas sur la plaque, c’est un cas
d’adhérence.
Le frottement dans la liaison entre la caisse 2 et le plan 1 ne peut être négligé puisque c’est lui qui fait
tenir la caisse 2 : la résultante A (1→2) n’est plus perpendiculaire au plan incliné 1 mais inclinée d’un
angle α par rapport à la normale de contact puisque :
La caisse plastique 2 est en équilibre sous deux actions mécaniques : l’action de la pesanteur sur
la caisse 2 appliquée au point G et l’action du plan incliné 1 sur la caisse 2. Les résultantes G
(pesanteur→2) et A (1→2) ont donc même direction et même norme et sont de sens opposé
La résultante A (1→2) peut s’incliner au maximum d’un angle ϕ (angle de frottement). Quelle sera la
valeur de l’angle d’inclinaison α du plan incliné ?
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Tp 1-1 : Contacts entre solides page 3

5. Expérience n°4 : détermination de l’effort de traction
5.1 Expérience avec plaque plastique
Le plan incliné est maintenant horizontal (voir illustration ci-dessous), il est équipé de la plaque en
plastique lisse. Chargez la caisse en fonction des dynamomètres disponibles.
Dynamomètre
Votre main
Ficelle
Plan incliné
horizontal
Caisse chargée
Déterminez l’effort nécessaire à une amorce de mouvement de la caisse plastique en tirant
progressivement sur le dynamomètre. Complétez la première colonne du tableau du document réponse en
effectuant une série de trois mesures.
5.2 Expérience avec plaque métal coté « métal »
Mettez en place sur la structure métallique du plan incliné une plaque en métal (revêtement métallique
vers le haut).
Reconduisez l’expérience précédente et notez les valeurs de l’effort de traction dans la deuxième colonne
du tableau du document réponse 2. Calculez l’effort moyen (valeur moyenne) correspondant à vos trois
essais.
5.3 Expérience avec plaque métal coté « mousse »
Retournez la plaque utilisée précédemment de telle sorte que le coté « mousse » soit vers le haut.
Reconduisez l’expérience précédente et notez les valeurs de l’effort de traction dans la troisième colonne
du tableau du document réponse 2. Calculez l’effort moyen (valeur moyenne) correspondant à vos trois
essais.
5.4 Analyse des résultats
Complétez le premier tableau du document réponse 3 dans le but de déterminer les différentes valeurs de
« tan -1 (F / P) ».
Comparez les valeurs obtenues pour « tan -1 (F / P) » avec les valeurs de l’angle de frottement ϕ.
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6. Modélisation des actions mécaniques (pour l’expérience 4 avec coté mousse)
Le schéma ci-dessus présente un modèle d’étude pour la caisse posée sur la plaque coté « mousse » pour
un angle d’inclinaison du plan incliné de 0° et un effort de traction F (extérieur→2) permettant à la caisse
d’être à la limite du glissement : on dit que la caisse est en équilibre strict.
Dans ce cas, la résultante
modélisant le contact entre
le plan 1 et la caisse 2 est
inclinée d’un angle ϕ par
rapport à la normale de
contact dans un sens
s’opposant à la tendance au
mouvement.
6.1 Recherche du centre théorique du contact 1-2
Sachant que la caisse 2 est soumise à l’action de trois résultantes, déterminez sur le schéma du document
réponse 3 le centre de la surface théorique de contact entre la caisse 2 et le plan 1 à cause de l’effort de
traction F (extérieur→2).
6.2 Détermination de l’effort de traction
En construisant un dynamique fermé sur feuille de copie, déterminez la norme de l’effort de traction F
(extérieur→2) en fonction du poids de la caisse et du coefficient de frottement f.
Tp 1-1 : Contacts entre solides page 5

• Expérience n°1 : caisse vide
Expérience
n°1
Essai n°1
Essai n°2
Essai n°3
Angle moyen
DOCUMENT REPONSE – TP 6-1
Angle inclinaison du plan
avec plaque plastique.
• Expérience n°2 : caisse chargée (1,5 kg)
Expérience
n°3
Essai n°1
Essai n°2
Essai n°3
Angle moyen
Angle inclinaison du plan
avec plaque plastique (1.1)
● Analyse des expériences 1 et 2
Expériences
1,2 et 3
Expérience
n°1
Expérience
n°2
Angle moyen
Angle inclinaison moyen
du plan
avec plaque plastique
Angle inclinaison du plan
avec plaque « métal ».
Angle inclinaison du plan
avec plaque « métal »
Angle inclinaison moyen
du plan
avec plaque « métal »
Questionnaire :
Angle inclinaison du plan
avec plaque « mousse »
Angle inclinaison du plan
avec plaque « mousse » (1.3)
Angle inclinaison moyen
du plan
avec plaque « mousse »
La valeur de l’angle pour lequel la caisse armorçe un mouvement : oui non
• dépend du couple de matériaux en contact ?
• dépend de la charge de la caisse ?
• dépend de la présence de lubrifiant entre la caisse et la plaque ?
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• Expérience n°4 : détermination effort de traction
Expérience
n°4
Essai n°1
Essai n°2
Essai n°3
Effort « F »
moyen
Effort « F » de traction
avec plaque plastique
Effort « F » de traction
avec plaque « métal »
analyse des résultats
Effort « F » de traction
avec plaque « mousse »
Expérience n°4 avec plaque plastique avec plaque « métal » avec plaque « mousse »
Effort « F » de
traction moyen
Masse « M »
de la caisse chargée
Poids « P »
de la caisse chargée
Rapport « F / P »
tan -1 (F / P)
• Modélisation des AME pour (pour l’expérience 4 avec coté mousse). Recherche du centre
théorique de la surface de contact entre 1 et 2
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