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Quand les boules fond du slalom.

Jean-Michel Courty
Écrit par Jean-Michel Courty

Ce billet est le premier d’une série inspirée par des projets présentés par les équipes de lycéens finalistes des Olympiades de Physique France. Lors des dernières Olympiades de Physique France, un groupe de lycéens angevins a étudié la physique de la “boule de fort”. Ce sport, pratiqué en Anjou par quelques 50 00 sociétaires est… Continue reading »

Ce billet est le premier d’une série inspirée par des projets présentés par les équipes de lycéens finalistes des Olympiades de Physique France.

Lors des dernières Olympiades de Physique France, un groupe de lycéens angevins a étudié la physique de la “boule de fort”. Ce sport, pratiqué en Anjou par quelques 50 00 sociétaires est une sorte de jeu de boules. La piste est incurvée, avec des bords relevés tandis que les boules, de forme méplate, sont déséquilibrées, ce qui donnent aux boules une trajectoire de la boule zigzagante et asymétrique, permettant d’éviter les boules adverses pour s’approcher au mieux du but. Ce jeu et ses cousins, posent de multiples questions au physicien.

Un cousin de la boule de fort : le boulingrin

Un joueur de boulingrin. Photographie : Mase55

Le boulingrin, de l’anglais “bowling green” ou encore Bowls se joue sur un gazon du même type que celui des greens de golf avec des boules asymétriques. Au fur et à mesure que les boules ralentissent, elles s’inclinent d’un coté et la trajectoire s’incurve progressivement et  à l’arrivée, la boule se met à plat sur l’un de ces cotés.  Cette trajectoire courbe  au joueur d’éviter les boules placées devant le but. En choisissant l’orientation de la boule, le joueur peut choisir de contourner les obstacles par la gauche ou la droite.

Au début de son mouvement, la boule roule sur la tranche avec une trajectoire rectiligne. L’équilibre dynamique qui maintient la boule sur la tranche a la même origine que celui qui fait tenir droit un cerceau ou une pièce de monaie qui roule sur la tranche. Imaginons que le cerceau vienne à s’incliner vers la gauche, la trajectoire s’incurve alors. Plaçons nous alors dans le référentiel qui suit la roue : comme celui ci tourne, le cerceau est soumis à une force centrifuge dirigée vers la droite. Si la vitesse est assez grande, cette force replace aussitôt le cerceau dans une position verticale. Notons que c’est ce mécanisme qui est responsable de l’équilibre à vélo : si l’on incline le vélo d’un coté, le guidon tourne vers ce coté, la trajectoire s’incurve et la force centrifuge rétabli l’équilibre. Le même phénomène intervient dans le jeu de bowls pour maintenir la boule verticale au début et contrebalancer le couple tendant à déséquilibrer la boule. Au fur et à mesure que la vitesse de la boule diminue, l’effet de la force centrifuge diminue et la boule s’incline jusqu’à se coucher.

Après la boule qui tourne, la boule qui zigzague

Chronophotographie d'une trajectoire de Boule de Fort

Dans le jeu de la boule de fort, un second ingrédient vient s’ajouter à l’asymétrie de la boule : le terrain n’est pas plan : il est relevé sur les cotés. Une boule sphérique envoyée de biais ou partant d’un point autre que le milieu aura une trajectoire oscilant d’un coté à l’autre de la piste. Si la boule est en plus asymétrique, on observe alors des zigzag dans lesquels les virages dans un sens sont plus prononcés que dans l’autre.

Dans cette situation complexe, les lycéens on privilégié une approche expérimentale avec des expériences astucieuse permettant de cerner quelques uns des effets physiques en jeu dans la boule de fort. Le mémoire des lycéens est disponible sur le site des Olympiades de Physique http://www.odpf.org/xviii/gr-14/ .

Comme le terrain est parfaitement lisse, les trajectoires sont reproductibles et ne dépendent que des conditions initiales du lancer. C’est un avantage par rapport à la pétanque par exemple où les imperfection du terrain, sablonneux ou gravillonneux, ajoutent un élément aléatoire au rebond des boules ou à leur trajectoire lorsqu’elles roulent. Pour des conditions de lancement identiques, (réalisées à l’aide d’une rampe conçue pour l’occasion) les trajectoires obtenues se confondent et au bout d’une trajectoire de plus de 15 mètres et de plusieurs zig-zag, les points d’arrêts sont distant de quelques centimetres.

Trajectoires de la boule pour des vitesses initiales différentes (même position et même orientation du lancer)

Cette propriété leur a permis de réaliser un catalogue assez précis pour déterminer les conditions initiales permettant  à la boule de s’arrêter à un point donné de la piste. Un second avantage est la faible vitesse de la boule : de l’ordre de 80 centimètres par seconde au début de la trajectoire. De quoi réaliser des enregistrement avec des moyens relativement modestes. Ces enregistrements, complétés par un travail avec une maquette, ont alors permis d’analyser les variations de vitesse de la boule durant sa trajectoire : ralentissement et accélération lors que la boule monte et redescend du bord de la piste, ou ralentissement essentiellement du au frottement de roulement sur une piste légèrement élastique.

Ce travail, comme d’autres projets des Olympiades, est significatif de l’évolution des pratiques permises par la révolution numérique. Les appareils de photographie ou de video numérique disponibles aujourd’hui dans le moindre téléphone portable permettent à tous de réaliser facilement des mesures qui il y a encore une dizaine d’années nécessitaient un matériel très couteux. Et pour le traitement, on peut faire des miracles avec un tableur. Il devient donc maintenant possible à tous d’étudier des phénomènes réservés il y a encore peu aux physiciens professionnels. Les 26 projets finalistes aux Olympiades de physique sont là pour nous le prouver.

Pour en savoir plus : le site des Olympiades de Physique France

À propos de l'auteur

Jean-Michel Courty

Jean-Michel Courty

Passionné de physique et de diffusion des sciences. Professeur à l'UPMC. Chargé de mission à l'inp Cnrs. Coauteur des Idées de Physique de Pour la Science.