Chapitre 12. LES FROTTEMENTS - piednoir.com

1 157 Chapitre 12. LES FROTTEMENTS Voil les feuilles sans s ve Qui tombent sur le gazon ; Voil le vent qui s l ve Et g mit dans le C est la saison o tout tombe Aux coups redoubl s des vents ; Un vent qui vient de la tombe Moissonne aussi les Alphonse de LAMARTINE, Pens e des morts, Harmonies po tiques et religieuses. CONCEPTS ET D FINITIONS Pour avancer, le cycliste doit d abord cr er de l nergie cin ti-que, nous venons de le voir. Il cr e cette nergie par son travail musculaire pendant les seules phases d acc l ration. L nergie cin tique est rendue dans les phases de d c l ration, soit sous forme de chaleur (freinage ou FROTTEMENTS ), soit sous forme d nergie potentielle ( lan du d but d une c te). S il monte une c te, il cr e de m me de l nergie potentielle, l encore par son travail musculaire. Cette nergie est rendue la moindre des-cente en nergie cin tique. Mais il lui faut, aussi et en perma-nence, fournir de l nergie pour lutter contre les FROTTEMENTS dus au vent, la r sistance de l air, la m canique du v lo, ou aux r actions de la route.

2 Le frottement est une force qui s oppose au glissement d une surface sur une autre. Dit autrement, c est une force qui s oppose un mouvement pr t s tablir ou d j tabli. Tous les FROTTEMENTS ne sont pas mal fi-ques. Le vent dans le dos a bonne r putation et nous verrons que les FROTTEMENTS avec la route sont utiles. FROTTEMENTS STATIQUES Le frottement statique est une force FFS qui emp che un mouvement de d marrer. C est lui qui nous permet, en s appuyant sur le sol, d avancer et de tenir la route dans un virage. La bicyclette se d place vers l avant quand le pneu arri re pousse sur la route, vers l arri re, gr ce au frottement. Par r action, le sol pousse le pneu vers l avant, et par la suite le v lo et son cycliste. Nous y reviendrons au d but du Chapitre 14. Le frot-tement statique n est pas consommateur d nergie puisqu il ne s accompagne d aucun d placement (le tra-vail est gal une force multipli e par une distance) sauf en cas de d rapage, mais l on parle alors de frotte-ment cin tique.

3 La force maximale de frottement statique FFSmax, au-del de laquelle il y a glissement, est proportionnelle la force normale FN (sur laquelle nous allons revenir ci-dessous) selon un coefficient de frottement statique s d pendant des deux mat riaux en contact. FFSmax = s FN Le coefficient de frottement statique s Prenons l exemple du frottement statique entre la route et les pneus. Le premier mat riau est le goudron de la route, ou la terre et les cailloux du chemin muletier. Il y a diff rentes textures du bitume ou qualit s du che-min. Le deuxi me mat riau est le pneu. Ses propri t s varient selon la gomme, la Dans ce domaine, le choix est infini. De plus, l tat d un mat riau peut changer selon les circonstances. Le coefficient de frot-tement statique d un pneu sur du bitume sec est plus lev que celui d un pneu sur du goudron mouill . Il l est encore moins si la route est verglac e ou peinte et humide comme sur les passages pour pi tons.

4 FFSmax est ind pendante de la valeur de la surface de contact entre deux corps solides. Donc, entre le goudron et le pneu que l on assimile un corps solide. qualit de gomme gale, la tenue de route n est pas meil-leure avec des pneus de 700, de 650 ou de 26 pouces, avec des pneus de faible section ou des gros boudins. 158 La force normale FN La force exerc e par la route sur le cycliste et son v lo est appel e force de r ac-tion Froute. Elle part du point de contact entre la route et les deux pneus. Nous avons d j vu cela au Chapitre 10 (en ). Dans un plan orthogonal la tra-jectoire, on peut d composer Froute en deux forces : La premi re force est la force normale FN qui est perpendiculaire la route. Si la surface de la route est hori-zontale, la force normale est verticale. Elle est alors, r partie sur les deux roues, gale et oppos e la force du poids FP de la bicyclette et du cycliste, par d fini-tion toujours verticale.

5 La deuxi me force est tangente la surface. C est une force de frottement. Elle est nulle sur une route horizontale dans une trajectoire rectiligne. Dans un virage, elle est dirig e vers l int rieur de la courbe. C est elle qui s oppose au glissement du pneu. Nous l avons galement voqu e propos de la force centrip te au cha-pitre 10 (en ). La force de r action de la route est li e au poids du cycliste et du v lo et augmente avec lui. Donc, plus le cycliste est lourd ou charg , plus la force maximale de frottement statique est lev e. FROTTEMENTS CIN TIQUES Le frottement cin tique est la force qui tend freiner un corps glissant sur une surface. Cette force FFC est gale et de sens oppos la force motrice n cessaire pour maintenir le corps en mouvement uniforme. Elle est donn e par la formule FFC = c FN , dans laquelle c est le coefficient de frottement cin tique. Le frottement cin tique est habituellement inf rieur au frottement statique.

6 Cela veut dire qu il faut une force plus grande pour vaincre l adh rence (due au frottement statique) que pour entretenir le glissement cons cu-tif la perte d adh rence. Une fois que la roue est Le frottement cin tique diminue souvent, mais pas toujours comme nous allons en voir une illustration au paragraphe suivant, lorsque la vitesse de glisse-ment augmente. Nous avons tous constat qu il fallait l cher les freins au fur et mesure que la vitesse dimi-nuait, pour ne pas s arr ter brutalement ou voir une roue d raper. Parce qu il y a mouvement, les FROTTEMENTS cin tiques, contrairement aux FROTTEMENTS statiques, consomment de l nergie du cycliste et la transforment en nergie thermique. Les pi ces en frottement l une contre l autre chauffent, nous le savons d exp rience. Les FROTTEMENTS solide-gaz Dans la pratique cycliste, il existe de nombreux FROTTEMENTS cin tiques. Le plus important, dans ses cons quences, est le frottement solide-gaz avec l air.

7 Ce frottement est difficile analyser. Essayons, cependant, de comprendre un peu ce qui se passe. Lorsqu un cycliste traverse une masse d air, ce qu il fait en permanence, il perturbe le cheminement des mol cules qui composent l air et modifie la vitesse de certaines d entre elles. Puis la masse d air se reforme derri re lui. Ces diff rences de vitesse entre les cou-ches d air cr ent une zone de surpression l avant du cycliste, qui tend le repousser. l inverse, elles cr ent une zone de d pression l arri re du cycliste, qui tend le retenir. Les forces de frottement avec l air d pendent des vitesses respectives du cycliste et de l air. Contrairement ce qui vient d tre dit ci-dessus, la r sistance de l air augmente avec la vitesse de glissement de l air sur le cycliste et son v lo. On distingue deux sortes de forces de frottement avec l air. La premi re est due la viscosit de l air. Des mol cules de l air sont en contact direct avec le cycliste et son v lo.

8 Sous l effet d interactions lectromagn tiques, elles adh rent au p daleur et sa bicyclette. Elles ont donc une vitesse relative, par rapport au cycliste, qui est nulle. Ce ph nom ne se d roule sur une couche d air tr s mince. Plus les mol cules de l air sont loign es du cycliste, plus leur vitesse, par rapport au cy-cliste, est grande, jusqu atteindre la vitesse d coulement libre de l air. La force de frottement ainsi cr e par la viscosit de l air augmente proportionnellement la vitesse de glissement. Elle diminue avec l augmentation de la temp rature, l altitude et augmente avec l humidit . La deuxi me force de frottement est due aux turbulences, elle augmente avec le carr de la vitesse. L air ne contourne pas jusqu au bout la surface du corps et de la bicyclette, surface tr s complexe par ses reliefs et irr gularit s. Il se forme derri re le cycliste des tourbillons qui constituent ce qu on appelle la tra n e (qui conditionne le fameux Cx).

9 Ce m li-m lo de turbulences consomme de l nergie qu il a prise au cycliste. Nous allons y revenir concr tement ci-dessous, propos de l a rodynamisme. 159 Sans vent, avec un air immobile, le frottement de l air, dont la vitesse relative est alors gale celle du cy-cliste, est d j un obstacle important. Il impose une d pense d nergie qui se transforme en nergie thermique dissip e, pour l essentiel, dans l air. Avec un vent de face, les vitesses respectives du vent et du cy-cliste s additionnent, pour donner la vitesse de l air. Nous avons tous v cu ces moments difficiles pendant lesquels la progression ralentit et le rythme cardiaque s acc l re. Vent dans le dos, la vitesse du vent se soustrait elle du cycliste, jusqu annuler la r sistance de l air, voire provoquer une pouss e du cycliste. Les FROTTEMENTS solide-solide Les plus nombreux des FROTTEMENTS cin tiques sont des FROTTEMENTS solide-solide entre les pi ces du v lo (ou du corps humain).

10 Ce sont les r sistances passives d cri-tes par V locio. Ils forment l essentiel des FROTTEMENTS secs (voir plus bas). La figure montre tous les points de frottement sur une bicyclette. Pour les limiter, il n y a qu un rem de : garder les surfaces de contact s pa-r es. C est le r le qui est d volu l huile ou la graisse sur les roulements, axes ou zones de glissement de la ma-chine. C est aussi le r le du liquide synovial dans les arti-culations. Mais certains FROTTEMENTS cin tiques sont utiles, comme ceux des patins de frein sur les jantes. Pas question de mettre de l huile sur la jante. Au contraire, on cherche augmenter le coefficient de frottement par un bon usinage des flancs des jantes ou dans la composition des patins. De m me, les FROTTEMENTS des manettes de d railleurs permettent d quilibrer la tension provoqu e par les ressorts de rappel des d FROTTEMENTS AVEC ROULEMENT En th orie, une roue rigide sur une surface plane devrait rouler ind finiment.