La vie sauve grâce à 3 principes physiques


Publiée récemment la vidéo norvégienne "Fritt fall uten sikret tau" (chute libre sans corde sécurisée) a fait le buzz. L'analyse de cette vidéo nous montre qu'elle est pleine d'enseignements pour la physique.

Vie Sauve

Andreas Wahl, (vulgarisateur professionnel norvégien), se trouve à 14 mètres du sol dans un harnais et retenue par une corde. Cette corde n'est pas fixée et elle peut glisser librement autour d'un mat horizontal. Au début de l'expérience, la partie de la corde qui se trouve de l'autre coté du mat, longue d'une dizaine de mètres est maintenue à l'horizontale. A son extrémité se trouve une masse que l'on peut estimer à quelques kilogrammes. Mais plutôt qu'un long discours, mieux vaut regarder cette vidéo

 

Pourquoi la corde s'enroule-t-elle autour du poteau ?

La masse qui se trouve à l'extrémité de la corde est initialement à la même hauteur que le mât horizontal. Et pourtant elle s'enroule autoure de ce dernier en restant tendue en permanence. Au total, on peut compter une dizaine de tours. Et on constate une accélération de la rotation sur la fin.

Ce phénomène s'explique par la conservation du moment cinétique. Lorsque la longueur de la corde diminue (soit parce qu'elle glisse autour du mât, comme au début, soir parce qu'elle s'enroule autour de ce dernier). Or la corde est tenue au centre de rotation et donc en l'absence d'autre moment (nous reparlerons du poids ensuite), le moment cinétique (produite de la masse par la distance à l'axe par la vitesse de la masse) est conservé. Donc si la longueur diminue, la vitesse augmente de manière inversement proportionnelle. Et le poids : s'il joue un rôle au début pour donner la vitesse initiale, l'accélération provoquée par le racourcissement de la corde est ensuite l'effet dominant.

Il reste quand même une question : et pour ce qui est de l'énergie ? Initialement, la masse est au niveau du mât. Comment fait elle pour remonter ensuite plus haut ? C'est parce qu'en chutant,  le physicien tire sur la corde. C'est le travail de cette force de traction qui donne assez d'énergie à la masse pour qu'elle remonte. En l'absence de frottements, la force centrifuge due à la rotation est suffisante pour stopper la chute, et cela même si la petite masse est 10 fois plus légère que la grosse. Mais ici ce n'est pas cela qui compte

Pourquoi la corde se bloque ?

C'est grâce aux frottements solides entre le mât et la corde. Pour avoir un équilibre statique lorsqu'une corde passe par une poulie, il faut que les tensions de la corde de part et d'autre de la poulie soient égales. Ce n'est pas le cas si la corde est entourée autour d'un mât : il est tout à fait possible d'avoir un blocage avec des tensions de corde différentes de part et d'autre et cela d'autant plus que le nombre de tours est important. Ici en fin d'expérience, la petite masse suffit à retenir le physicien. Pourtant si la corde ne faisait que passer une fois au dessus du mât sans faire de tour, il ne fait aucun doute que le frottement ne serait pas suffisant. La masselotte remonterait tandis que l'homme chuterait. Ici, avec une position initiale telle que la corde qui relie la petite masse est horizontale, au début on a glissement, mais c'est ce qui permet la mise en rotation de la petite masse autour du mât (voir ci dessus) et ensuite dès que la corde a fait un à deux tours, les frottements sont suffisant pour bloquer la corde et stopper la chute. En fait la tension de la corde chute exponentiellement au fur et à mesure des tours ce qui fait qu'une toute petite force est suffisante pour avoir un blocage (pour plus de détail voir notre chronique "Petite force deviendra grande").

Pourquoi le blocage n'est pas instantané ?

On constate enfin qu'une fois la corde bloquée, l'homme remonte un peu et oscille verticalement. Heureusement pour lui ! Si le blocage avait été instantané, cela aurait été équivalent pour lui à une chute sur un sol dur. Or il faut limiter la décélération d'un corps humain à moins de 10 g (10 fois l'accélération de la pesanteur). Cela nécessite une distance d'arrêt qui est d'au moins un mètre pour une chute de 10 mètres de haut. Cela est possible ici grâce à l'élasticité de la corde (et c'est la raison pour laquelle toutes les cordes d'escalade sont élastiques). Pour plus de détail voire notre chronique "Des chocs amortis... en toute sécurité".

 

Post scriptum pour les enseignants

Pour une utilisation en enseignement, cette vidéo marquante permet d'illustrer trois principes physiques et leurs conséquences : la conservation du moment cinétique, les frottements solides, l'accélération et décélération. Elle peut à notre avis être utilisé comme introduction à ces notions, ou bien comme exercice de synthèse, en demandant aux élèves/étudiants de reconnaitre dans cette vidéo un maximum de notions de physique et d'expliquer "comment ça marche" à l'aide de leurs connaissances.


3 commentaires pour “La vie sauve grâce à 3 principes physiques”

  1. Richard Taillet Répondre | Permalink

    Merci beaucoup pour ce chouette billet ! J'ajouterais peut-être un avertissement : pour une utilisation en enseignement, s'assurer que les étudiants qui auraient envie de confier leur vie à une telle analyse sont à l'aise sur la gestion des signes et des unités ! Ceci dit, ça devient un objectif motivant, ça me donne des idées.... 😀

  2. Pierre Répondre | Permalink

    Cet expérience est très intéressante ! Je vous avoue ne pas avoir vraiment compris ce qu'il se passait réellement avant de lire vos explications. Maintenant, tout me parait logique. J'adore ce type d'expérience, et surtout connaître les explications précises quand je me pose des questions.
    Merci pour votre écrit !

  3. Raphël Valyi Répondre | Permalink

    quid de la probabilité que la masse, lorsqu'elle chute depuis sa position initiale horizontale n'aille rebondir pile au milieu sur la corde liée au physisien et parte n'importe où au lieu de passer juste à coté et de s'enrouler sagement sur le mat...Il me semble qu'une version "fail" de la video est possible...

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