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Travail du frottement du sol sur une roue

Posté par
Cajanec
19-12-11 à 22:20

Bonjour,

si j'ai un chariot sur roues, initialement immobile.
Je le pousse une fois pour le mettre en mouvement. N'étant pas sur une patinoire, les roues se mettent à tourner grâce aux forces de frottement roue-sol. OK.

Maintenant, imaginons que les roues sont parfaitement rondes et parfaitement indéformables. C'est-à-dire que je n'ai qu'un seul point de contact entre la roue et le sol (je suppose que ça doit être quasiment le cas pour des roues métalliques de train, quand elles sont neuves).
Donc quand je n'ai qu'un seul point de contact (A) entre la roue et le sol et que je cherche à calculer le travail de cette force de frottement du sol sur la roue, qui a fait tourner la roue :
W(f) = F.R.Angle or l'angle est toujours égal à 0° puisque mon point d'application de f sur la roue change continuellement (si on considère qu'il n'y a pas de glissement).
Je me retrouve donc avec W(f) = O Joule et pourtant la roue est bien passée d'une position immobile à un état tournant. Il y a donc bien dû y avoir un travail quelque part. Personnellement j'étais persuadé que ça venait de la force de frottement...

Merci pour votre aide et vos commentaires.

Travail du frottement du sol sur une roue

Posté par
efpe
re : Travail du frottement du sol sur une roue 20-12-11 à 13:37

sauf que la formule est W(f) = F.R.cos(angle)

Posté par
Cajanec
re : Travail du frottement du sol sur une roue 20-12-11 à 22:07

Bonjour efpe,

Reprenez un instant vos cours de 1ère S et découvrez ébahi(e) que, pour un mouvement circulaire, le travail d'une force tangent au cercle vaut bien W(f)=f.R.Angle avec l'angle en radians.

Quelqu'un peut-il m'éclairer par rapport à la question initiale ?

Merci par avance

Posté par
efpe
re : Travail du frottement du sol sur une roue 20-12-11 à 22:47

très cher, effectivement j'ai lu un peu trop vite votre sujet pour y répondre correctement, ce dont je m'afflige.

le travail du poids d'une force est W(f) = vecteur f . vecteur AB

ici, comme tu l'as très justement fait remarqué, ces deux vecteurs sont colinéaires. Quand au vecteur AB, il vaut le rayon de la roue multiplié par l'angle en radians dont tourne la roue durant le déplacement.

en bref W(f) = f.R. avec théta l'angle dont tourne la roue durant le déplacement

Posté par
J-P
re : Travail du frottement du sol sur une roue 21-12-11 à 12:49

Oui, mais le sol n'a pas de moteur caché dans ses entrailles..

Et donc tintin pour qu'il produise un travail moteur.

Sur un chariot non motorisé, les roues ne sont pas motrices, ce n'est pas non plus les roues qui produisent un travail moteur.

Le travail moteur vient de la force qui "lance le chariot"  qui fournit un travail moteur égal à (1/2).m.v² + n.(1/2).Jw²

Avec m la masse totale du chariot + les roues, v la vitesse du chariot au moment où il n'est plus "poussé" par une force extérieure (celle du bonhomme qui pousse) et w = v/R (R rayon des roues) ; J moment d'inertie d'une roue par rapport à son axe, et n le nombre de roues (toutes supposées identiques).

L'énergie nécessaire à mettre les roues en mouvement est issue du travail de la force du bonhomme qui pousse le chariot, le sol ne sert que de "chemin" pour passer cette énergie entre le bonhomme et les roues ...
Il reste évident que si le coefficient de frottement sol roue était nul, il serait impossible de faire varier la vitesse de rotation de la roue. Mais cela ne signifie pas que le sol ou la roue soient "producteur" d'un travail moteur quelconque.

Pareil si on monte un charge accrochée à une corde en tirant sur la corde.
C'est la force sur la corde (de la main par exemple) qui produit le travail moteur nécessaire à lever la charge et la corde n'est rien d'autre que le chemin qui transmet le travail de la "force de la main" vers la charge en mouvement... Mais la corde ne génère aucun travail ... elle ne fait que le transmettre.

Voir si j'ai bien interprété la question posée.








Posté par
efpe
re : Travail du frottement du sol sur une roue 21-12-11 à 12:53

ah mais oui je croyais que la voiture était motorisée ... je suis d'accord avec tout ce qu'a dit J-P évidemment ^^

Posté par
Cajanec
re : Travail du frottement du sol sur une roue 22-12-11 à 20:09

Merci beaucoup pour vos réponses qui sont très intéressantes.

Si l'on isole une roue, selon ma compréhension elle est soumise aux deux forces représentées sur le schéma (je néglige son poids et les frottements de l'air).
Et, toujours selon ma compréhension, la roue va passer de l'état immobile à l'état "tournant" grâce à la force f de frottement. Et je m'étonne simplement qu'une force ayant un tel effet effectue un travail nul.

Je pense qu'il y a une erreur dans mon raisonnement, mais je ne la trouve pas...

Posté par
J-P
re : Travail du frottement du sol sur une roue 23-12-11 à 09:38

Tout dépend de ce que tu essaies de savoir.

Imagine qu'un bonhomme tienne une corde et qu'à l'autre bout de la corde on y suspende un seau.

Le bonhomme lève la main, et donc le seau "monte" tiré vers le haut par la corde.

Si tu "isoles" le seau, tu vas conclure que la force de la corde sur le seau effectue un travail moteur.

C'est "vrai", mais ce n'est pas la corde qui effectue ce travail moteur.

Le travail moteur est fourni par le bonhomme, la corde "transmet" la force qui sert à lever le seau.
---
Pour étudier le mouvement du seau, tu isoles le seau et donc tu ne considères que les forces sur le seau, soit son poids et la force exercée par la corde ... Et tu conclus que cette force travaille.

Correct ...

Mais le fait "d'isoler" le seau n'est qu'un artifice qui permet d'étudier le mouvement du seau... et il ne faut pas en conclure que c'est la corde le "générateur d'énergie".

Dans un système vu plus globalement, le "générateur" de travail est le bonhomme, c'est lui qui "use des calories" pour lever le seau, ce n'est pas la corde. La corde ne sert que de moyen de transfert de la force exercée par le bonhomme vers le seau.
-----

Dans le cas de la roue du chariot qu'on pousse, le "générateur" de travail qui met le chariot en mouvement et les roues en rotation est le bonhomme qui pousse.
Mais si tu isoles une roue pour étudier son mouvement, tu vas conclure que c'est la force entre le sol et la roue qui travaille (lors de l'accélération, pas lors de la vitesse de rotation constante) ...
Dans un regard plus global, ce n'est ni la roue, ni le sol qui "dépense des calories" pour mettre la roue en mouvement, c'est le bonhomme.

Le bonhomme fournit l'énergie qui sert à mettre le chariot et les roues en mouvement, mais le travail du bonhomme est transmis partiellement aux roues via la réaction du sol pour les mettre en rotation.
-----
Donc tu peux continuer, pour étudier la mise en mouvement de la roue, à isoler la roue ... et conclure que c'est la force entre le sol et la roue qui travaille.
Mais il est bon de savoir que cela ne signifie pas que c'est soit la roue, soit le sol qui est le "générateur d'énergie" qui permet ce mouvement.

Tu dois aussi te rendre compte que, hors frottement dans l'air ou dans les roulements de la roue, lorsque la roue roule à vitesse constante, il n'y a plus aucun travail de quoi que ce soit pour maintenir ce mouvement.
Le chariot, qui roulerait et puis serait laché par le bonhomme qui pousse continuerait son mouvement en ligne droite à vitesse constante éternellement (sans frottement dans l'air ou dans les roulements de roues).
En pratique, évidemment le chariot ralentirait par le travail des forces de frottement de l'air sur le chariot et par les frottements dans le roulement des roues... Et si le ralentissement du chariot (du au frottement dans l'air) n'était pas juste ce qu'il faut pour que les roues ralentissent proportionnellement par les frottement dans les roulements, les roues auraient tendance à glisser partiellement sur le sol et là, la force de frottement sol-roue travaillerait aussi.

Je me demande si tout ceci va t'aider ou bien ne perturber d'avantage.



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