Tribomètre

1. Dispositif expérimental

Le tribomètre permet de mesurer le frottement de glissement entre une plaque et un bloc. La plaque est fixée sur un chariot guidé par deux rails. Le chariot est tiré par un fil en nylon qui s'enroule sur une poulie entrainée par un moteur pas à pas. Le bloc est relié au dynamomètre par un fil en nylon et un ressort. Le dynamomètre est un capteur à jauge de déformation.

Figure pleine page

Le moteur pas à pas est piloté par une carte Arduino munie d'un circuit de commande de moteur pas à pas. L'alimentation 24 V fournit le courant au moteur. La carte arduino, reliée à l'ordinateur, est alimentée par son port USB. La carte d'acquisition SysamSP5 effectue l'acquisition de la force en fonction du temps. L'enregistrement vidéo du mouvement est fait avec une caméra à une cadence de 120 images par seconde. Pour obtenir la synchronisation entre l'enregistrement vidéo et celui de la force, une LED rouge est placée dans le champ de vision. Juste après le démarrage du moteur, l'arduino allume la LED et déclenche simultanément l'acquisition (entrée SYNCHRO EXT).

La commande du moteur consiste à envoyer des impulsions, chacune déclenchant l'avancement d'un pas (ou d'une fraction de pas). Le programme de commande permet de choisir le nombre de tours à effectuer et la durée d'un tour. Connaissant le diamètre d=48,5 mm de la poulie, on en déduit la vitesse du chariot.

Le traitement de la vidéo, effectuée avec le logiciel Kinovea, consiste à sélectionner la partie pendant laquelle la LED est allumée et à ajouter un chronomètre.

La fréquence d'échantillonnage pour l'acquisition de la force est de 12 kHz. Après un filtrage passe-bas, elle est ramenée à 2,4 kHz.

2. Frottement bois sur bois avec ressort souple

Cette première série d'expérience est effectuée avec un ressort souple de raideur K=4,2 N/m. La masse du bloc est m=95 g.

import numpy
from matplotlib.pyplot import *

def traceForce(fichier,duree_tour):
    diametre = 48.5
    vitesse = numpy.pi*diametre/duree_tour
    [t,F] = numpy.loadtxt(fichier)
    figure(figsize=(8,5))
    plot(t,F) 
    xlabel("t (s)")
    ylabel("F (N)")
    title("v = %f mm/s"%vitesse)
    grid()

traceForce("force-82.txt",15.0)

fig82.pdf

traceForce("force-83.txt",10.0)

fig83.pdf

traceForce("force-85.txt",7.0)

fig85.pdf

traceForce("force-86.txt",5.0)

fig86.pdf

traceForce("force-87.txt",3.0)

fig87.pdf

traceForce("force-88.txt",2.0)

fig88.pdf

3. Frottement bois sur bois avec ressort raide

Le ressort a un coefficient de raideur K=50 N/m. Le ressort étant plus lourd, on place une support pour le soutenir, ce qui a pour effet d'augmenter la dissipation dans le ressort.