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.

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.

Force du mouvement

Force de frottement

Saviez-vous que…?

Les premiers patins étaient fabriqués avec des os de bœuf en lame mince et polie.

La gravité

Tous les objets et les êtres vivants de la Terre par ce qu’on appelle la force gravitationnelle. Lesexception 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 àvitesse constante en absence de forces extérieuresavec notre sujet est qu’un patineur, sans frottement ou force extérieureresterait immobile ou à vitesse constante, et enpatineur puisse accélérer, ralentir, freiner, repartir, tourner et sauter, des forcesdoivent agir sur lui et ses patins.

La troisième loi de Newton est celle d’actionA exerce sur un corps B une 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 opposéesschéma ci-dessous peut vous aider

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.

dû à la gravité.

La première loi de Newton stipule qu’un objet ou une personne reste immobile ou àvitesse constante en absence de forces extérieures appliquées sur lui. Un exemple concret avec notre sujet est qu’un patineur, sans frottement ou force extérieure appliquéeresterait immobile ou à vitesse constante, et en ligne droite jusqu’à l’infini. Ppatineur puisse accélérer, ralentir, freiner, repartir, tourner et sauter, des forcesdoivent

La troisième loi de Newton est celle d’action-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

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

pied. Il s’agit de deux forces opposées mais de même valeurt 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. Avec une telle contrila science, Newton est incontestablement que la Terre aitconnus.

sont attirés par le centre athlètes du patin ne font pas

exception à la règle. Lors de l’exécution d’un saut, le patineur monte puis redescend.

La première loi de Newton stipule qu’un objet ou une personne reste immobile ou à . Un exemple concret

appliquée, ligne droite jusqu’à l’infini. Pour qu’un

patineur puisse accélérer, ralentir, freiner, repartir, tourner et sauter, des forcesdoivent

réaction. Ce principe stipule que si un corps certaine force, le corps B exerce sur le corps A la même

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

mais de même valeur. Le

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

ntégral. Avec une telle contribution à incontestablement un des plus grands génies

Appliquons cette loi au patin artistique. (comme on peut le constater sur l’image)patinage en couple qui illustre parfaitement la troisième loi de Newton. L’sur la femme pour la propulserune rotation complète sur l’homme qui re

La force centripète

La force centripète est une force qui maintient un corps dans un mouvement circulaire.Dans la spirale de la la force centripète est présente puisqu’elle permet au couple de tourner sur eux-mêmes et de conserotation jusqu’à ce qu’ils décident d’arrêter.

Énergie mécanique et MRUA

Un axel consiste à faire un tour et demi dans les airs glace pour atterrir sur le pied droit pour une l’énergie mécanique lors d’un saut. L’énergie mécanique est étroitement liée au mouvement des objets. Elle est la somme de l’éncinétique. L’énergie mécanique reste constante tout au long de la figurede l’énergie est le Joule). L’énergie potentielle est l’énhauteur. Elle est donc à son apogée point A sur le schéma ci-dessus). L’énd’un objet. Donc, plus la vitesse Si on néglige les frottements et le moment d’inertielorsqu’il n’y a pas d’hauteur (a

Appliquons cette loi au patin artistique. Le lever en rotation(comme on peut le constater sur l’image) est une figure patinage en couple qui illustre parfaitement la troisième loi de Newton. L’homme applique avec ses bras et ses jambessur 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 recule sur la glace à cause de l’impulsion reçue

La force centripète est une force qui maintient un corps dans un Dans la spirale de la mort (illustré ci-joint),

centripète est présente puisqu’elle permet au couple de mêmes et de conserver leur mouvement de

rotation jusqu’à ce qu’ils décident d’arrêter.

et MRUA

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’énergie potentielle et de l’énergie cinétique. L’énergie mécanique reste constante tout au long de la figure(l’unité de mesure

. L’énergie potentielle est l’énergie d’un corps par rapport à sur. Elle est donc à son apogée quand la patineuse atteint la hauteur maximale

dessus). L’énergie cinétique est l’énergie liée au mouvement. Donc, plus la vitesse du sportif est grande, plus l’énergie cinétique est grande.

ents et le moment d’inertie, l’énergie cinétique est à son zénith lorsqu’il n’y a pas d’hauteur (au point 2 et B sur le schéma ci-dessus). Pour mieux

A

rotation est une figure du

patinage en couple qui illustre parfaitement la troisième loi de avec ses bras et ses jambes une force

afin qu’elle exécute la même force

l’impulsion reçue.

en partant avec le pied gauche sur la Commençons par étudier

l’énergie mécanique lors d’un saut. L’énergie mécanique est étroitement liée au ergie potentielle et de l’énergie

(l’unité de mesure ergie d’un corps par rapport à sa

neuse atteint la hauteur maximale (au mouvement

est grande, plus l’énergie cinétique est grande. l’énergie cinétique est à son zénith

Pour mieux

comprendre comment l’énergie varie au cours d’un saut, vous pouvez vous référer au graphique ci-dessous.

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.

Légende

Em= Énergie mécanique

Ec= Énergie cinétique

Ep= Énergie potentielle

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20

Position du

patineur

Temps

La position d'un patineur dans les airs, lors de l'éxécution d'un saut

en fonction du 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