Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet

« Ça farte ! »

Les matériaux

Corrigé

Spécialité

pchT_1306_06_01C

Centres étrangers • Juin 2013

Exercice 3 • 5 points

Le fart est un revêtement spécifique appliqué sous les skis ou les planches à neige avant usage. Il permet d'améliorer soit le glissement, soit l'adhérence sur la neige et de protéger la semelle (partie en contact avec la neige). […] La branche de la physico-chimie, nommée tribologie, a contribué à introduire l'art du fartage dans le domaine de la haute technologie.

D'après https://fr.wikipedia.org/wiki/Fart

Les documents suivants apportent quelques informations relatives à la technique du fartage.

Document 1

Contact ski-neige

Pour comprendre la fonction du fart, il faut commencer par étudier les phénomènes qui entrent en jeu quand le ski est en contact avec la neige. Lorsqu'un corps glisse sur un plan, il se crée un frottement de glissement. Cette force dépend des aspérités des deux surfaces en contact (figure ci-dessus), mais aussi du type de lien chimique existant entre les atomes des deux surfaces. La force de frottement s'exerce dans le sens opposé à la vitesse du corps. Son intensité dépend du poids du corps, de l'inclinaison du plan et de la nature des corps en contact. Cet effet est traduit par un paramètre µ, appelé coefficient de frottement. Il varie en fonction des matériaux (voir tableau « Quelques valeurs de µ ») et de la rugosité de la superficie.

Pendant la durée du glissement, la force de frottement dissipe de l'énergie cinétique en la transformant en chaleur, comme nous le constatons lorsque nous nous frottons les mains pour se réchauffer. Dans le cas du ski, cet effet a une conséquence très importante : la chaleur fait fondre la neige et une pellicule d'eau s'interpose entre le ski et la neige.

D'après Sportifs high tech, Nunzio Lanotte – Sophie Lem, Collection Belin : Pour la science

Document 2

Le fart s'interpose entre le ski et la neige et a pour fonction d'optimiser les conditions de l'interface. Pour atteindre cet objectif, on utilise principalement des substances qui appartiennent à deux familles de composés : les hydrocarbures et les fluorocarbures.

[…] Les fluorocarbures sont des substances fortement hydrophobes, ce qui les rend particulièrement intéressantes pour le fartage. […]

Toutefois les fluorocarbures présentent des inconvénients. Ils peuvent être nocifs pour la santé et pour l'environnement et coûtent très cher. C'est la raison pour laquelle on les associe généralement à de la paraffine ainsi qu'à d'autres hydrocarbures solides à longue chaîne carbonée.

Document 3

Les schémas ci-dessous montrent une représentation modélisant un contact ski-neige.

Lors de la glisse, des gouttes d'eau se forment à l'interface ski-neige. Lorsqu'une goutte s'établit au contact d'un solide, elle adopte une configuration particulière qui traduit les interactions entre le solide et le liquide. L'angle θ, représenté sur les schémas ci-dessous, caractérise ces interactions.

1 La figure du document 1 est schématisée partiellement en annexe, mais cette fois le contact ski-neige se fait sur une pente, inclinée d'un angle α par rapport à l'horizontale.

1. Représenter sur l'annexe, les forces extérieures appliquées au centre d'inertie G du système considéré, en supposant le mouvement rectiligne uniformément accéléré. On apportera un soin particulier à la longueur relative des vecteurs, sans toutefois choisir d'échelle particulière. L'action due à l'air ne sera pas prise en compte.

2. Rédiger une légende explicative du schéma proposé.

2 Décrire en quelques lignes, les transferts d'énergie mis en jeu dans la situation évoquée à la question 1.

3 Expliquer pourquoi les fluorocarbures sont particulièrement intéressants pour le fartage.

4 Les électronégativités des éléments hydrogène, carbone et fluor sont respectivement 2,1 2,6 et 4,0.

1. Les hydrocarbures solides à longue chaîne carbonée utilisés pour le fartage des skis, ont pour formule générale C_nH₂_n₊₂ (avec n ≥ 18). En quoi ces hydrocarbures sont-ils également intéressants pour le fartage ?

2. Les fluorocarbures sont des polymères de formule semi-développée suivante :

a) Mettre en évidence le caractère polaire d'une liaison .

b) Pourquoi, selon vous, les molécules de fluorocarbures sont cependant hydrophobes ?

Annexe

Schéma du contact ski-neige sur une pente, inclinée d'un angle α par rapport à l'horizontale

Notions et compétences en jeu

Savoir extraire et analyser des informations • Savoir appliquer la 2^e loi de Newton • Connaître le caractère polaire et apolaire des molécules • Savoir formuler une hypothèse.

Conseils du correcteur

1 Appliquez la 2^e loi de Newton pour réaliser la construction.

Pensez aux points d'application des forces représentées.

2 Il faut réfléchir aux différents types d'énergie rencontrés lors de ce mouvement.

3 Utilisez les schémas du document 3 et l'électronégativité.

4 1. N'oubliez pas de parler du coût des différents matériaux.

1 1. Schématiser des forces

2. Expliquer sa démarche

Sur le schéma, sont représentées les 3 forces s'exerçant sur le système.

Le poids $\vec{P}$ , qui s'applique en G, est vertical et dirigé vers le bas (en rouge).
La réaction de la neige $\vec{N}$ , qui s'applique au contact entre la neige et le ski, est perpendiculaire à la pente et dirigée vers le haut (en bleu).
La force de frottements $\vec{F}$ , qui s'applique au contact entre la neige et le ski, est parallèle à la pente et dirigée dans le sens contraire au mouvement.

Comme le mouvement est rectiligne uniformément accéléré, on applique la 2^e loi de Newton en écrivant $\vec{Σ F} = \vec{m a}$ .

Attention

Il faut commencer par faire un bilan des forces appliquées.

Donc, la somme vectorielle $(\vec{P} + \vec{N})$ doit être représentée par un vecteur colinéaire à $\vec{F}$ , dirigée dans le sens du mouvement et dont la norme est plus grande que celle de $\vec{F}$ .

2 Décrire les différents transferts d'énergie

Lorsque le ski descend la pente avec un mouvement rectiligne uniformément accéléré, il perd de l'altitude. Son énergie potentielle de pesanteur est donc convertie en énergie cinétique.

Puisque ce mouvement s'effectue avec des frottements, une partie de l'énergie mécanique (énergie potentielle de pesanteur + énergie cinétique) du ski est transférée en chaleur. Cette chaleur permet un changement d'état de l'eau qui passe de l'état solide à l'état liquide.

Notez bien

L'énergie mécanique d'un système est la somme de son énergie cinétique et de son énergie potentielle.

3 Expliquer l'utilisation des fluorocarbures

Pour favoriser la glisse, il faut que le ski « roule » sur les gouttes d'eau situées à l'interface ski-neige. En effet, la surface de frottement entre le ski et la goutte d'eau est plus petite (schémas du document 3) et cela minimise les frottements.

Une semelle de ski hydrophobe favorise ce roulement.

Les fluorocarbures sont donc intéressants pour le fartage à cause de leur propriété hydrophobe.

4 1. Expliquer l'utilisation des hydrocarbures

La liaison C-H est très peu polarisée : l'électronégativité du carbone est de 2,6 et celle de l'hydrogène, très proche, de 2,1. Les hydrocarbures sont donc des molécules apolaires. Cette propriété chimique les rend non miscibles à l'eau et donc hydrophobes.

D'autre part, les hydrocarbures à longues chaînes (comme la paraffine) sont solides, ce qui les rend aussi intéressants pour le fartage. En outre, ce sont des composés chimiques beaucoup moins chers que les fluorocarbures.

2.a) Mettre en évidence le caractère polaire d'une liaison

La différence d'électronégativité entre l'atome de carbone et l'atome de fluor est élevée 4,0 – 2,6 = 1,4. Cela explique la polarisation de la liaison covalente .

b) Émettre une hypothèse

Une molécule de fluorocarbure est une très longue suite de liaisons .

Chacune de ces liaisons est polarisée, mais globalement, la molécule ne l'est pas du fait de sa symétrie. Le « centre » des charges partiellement négatives se superpose au « centre » des charges partiellement positives.

La molécule de fluorocarbure est donc hydrophobe.