Le fartage des skis : forces, énergie et polarité
L'exercice de spécialité du bac S 2013 des centres étrangers vaut 5 points, pour environ 50 minutes. Il remplace l'exercice 3 pour les candidats ayant suivi l'enseignement de spécialité. Le thème est la tribologie, c'est-à-dire l'étude des frottements, appliquée à la glisse : pourquoi un ski glisse-t-il mieux lorsqu'il est farté ? L'exercice combine de la mécanique, une approche énergétique et de la chimie des molécules, à partir de documents.
Partie 1 : les forces appliquées au ski
La question 1.1 demande de représenter les forces sur l'annexe, le mouvement étant rectiligne uniformément accéléré. Trois forces s'appliquent : le poids, vertical et vers le bas ; la réaction normale, perpendiculaire à la pente ; la force de frottement, parallèle à la pente et opposée au mouvement. L'erreur classique consiste à tracer la réaction verticale ou le poids perpendiculaire à la pente. La méthode conseillée : tracer d'abord le poids, puis le projeter sur la pente et sur sa perpendiculaire.
La question 1.2 exige une légende explicative, et c'est là que se font les points. Avec la deuxième loi de Newton, l'accélération est parallèle à la pente : perpendiculairement à celle-ci, N = P cos α, donc la réaction est plus courte que le poids ; le long de la pente, P sin α − Ff = m aG > 0, donc la force de frottement est plus courte que P sin α. Si elle lui était égale, le mouvement serait rectiligne uniforme d'après le principe d'inertie. Se contenter de nommer les forces ne suffit pas.
Partie 2 : les transferts d'énergie
La question 2 attend une description en quelques lignes. En descendant, le ski perd de l'énergie potentielle de pesanteur. Une partie est convertie en énergie cinétique, puisque la vitesse augmente ; l'autre est dissipée sous forme de chaleur par le travail de la force de frottement. Cette chaleur fait fondre la neige au contact et forme une pellicule d'eau sous le ski. L'énergie mécanique diminue donc, d'une quantité égale au travail, négatif, des frottements.
Parties 3 et 4 : la chimie des farts
La question 3 est documentaire. Les fluorocarbures sont fortement hydrophobes : sous une semelle fartée, l'eau se rassemble en gouttes presque sphériques au lieu de s'étaler. La surface de contact entre l'eau et la semelle diminue, l'eau accroche moins le ski et les frottements baissent. Citez explicitement les documents utilisés.
La question 4.1 étend le raisonnement aux hydrocarbures à longue chaîne. La différence d'électronégativité entre carbone et hydrogène, 2,6 − 2,1 = 0,5, est faible : les liaisons sont très peu polarisées, les molécules sont apolaires et donc hydrophobes. Elles ont en outre l'avantage d'être moins chères que les fluorocarbures.
Les questions 4.2.1 et 4.2.2 forment le cœur chimique de l'exercice. La liaison C-F est polarisée, avec une différence d'électronégativité de 4,0 − 2,6 = 1,4 : le fluor porte une charge partielle négative et le carbone une charge partielle positive. Pourtant, les fluorocarbures sont hydrophobes : les atomes de fluor sont répartis symétriquement autour de la chaîne carbonée, les polarisations se compensent et la molécule est globalement apolaire, comme le dioxyde de carbone.
Conseils pour réussir
Donnez toujours la différence d'électronégativité chiffrée et placez les charges partielles sur les deux atomes. Distinguez bien liaison polarisée et molécule polaire : la géométrie fait toute la différence. En mécanique, justifiez chaque longueur de vecteur par une relation écrite.