TIPE Introduction Le tennis de table, couramment appelé ping

TIPE
Introduction
Le tennis de table, couramment appelé ping-pong, est un sport qui a vu le jour à la fin du XIXe
siècle, et n’était au départ qu’une simple transposition du tennis sur gazon. A cette époque, et
jusqu’en 1924, date à laquelle les premiers revêtements en caoutchouc firent leur apparition, les
raquettes étaient confectionnées en peau tendre, ou de cordes en laine. Depuis, grâce à de
nombreuses innovations technologiques, il est désormais possible à n’importe quel initié
d’assembler sa raquette sur mesure.
Cette personnalisation est notamment rendue possible par l’existence d’une large étendue de
revêtements en caoutchouc différents, qui conviennent à tous les styles de jeu possibles. Ainsi,
ces revêtements sont généralement regroupés suivant trois critères :
La vitesse
L’adhérence : un revêtement adhérent aura tendance à imprimer d’avantage d’effet
à la balle.
Le contrôle : grandeur plus subjective, que l’on peut néanmoins rapprocher du
temps de contact raquette/balle. De plus, un contrôle accru permet de corriger
d’éventuelles imperfections du geste technique.
Dans cette optique, j’ai cherché à déterminer expérimentalement si effectivement il existait de
réelles différences entre des revêtements de familles différentes. Pour cela, j’ai tenté de
quantifier l’influence du revêtement sur le mouvement de la balle de tennis de table. Je me suis
procuré trois revêtements censés être radicalement différents : un revêtement offensif (Yakasa
Mark V GPS), procurant une vitesse élevée ; un revêtement destiné à un jeu en effet, très
adhérent (Friendship 729) ; et un revêtement très lisse, censé bloquer le jeu en effets (Ellen, de
Thibar). J’ai ensuite mesuré le coefficient de restitution et le coefficient de frottement de ces
trois produits, avant de les placer en situation de jeu, grâce à un robot lanceur de balles.
Après une rapide approche théorique et après avoir défini le cadre de mon étude, je vous
présenterai mes expériences ainsi que les résultats obtenus.
I/ Rapide approche théorique et cadre de l’étude
1. Composition d’une raquette de tennis de table
Une raquette est constituée d’un bois et d’un revêtement, rendus solidaires par l’intermédiaire
d’une colle, souvent à base d’eau.
a. Le bois
Composé d’un manche et d’une palette, il est en quelque sorte le cœur de la raquette. Il doit être
constitué d’au moins 85% de bois naturel de diverses essences, et la nature du bois utilisé influe
fortement sur les caractéristiques de la raquette. Ainsi, un bois dur procure une vitesse élevée,
tandis qu’un bois tendre procurera une vitesse plutôt lente, mais d’avantage de contrôle.
L’étude du bois n’entre pas en considération dans mon étude. Néanmoins, pour des raisons
évidentes de cohérence de mesure, tous les revêtements ont été collés sur une même planche de
bois, en l’occurrence du hêtre, avant d’être soumis aux tests.
b. La colle
Souvent à base d’eau, elle est utilisée pour rendre solidaire le revêtement au bois, mais a peu
d’influence sur le produit fini. Cependant, il convient de noter qu’avant 2008, l’utilisation de
colles dites « rapides » était autorisée, ce qui décuplait les effets du revêtement, et procurait une
vitesse maximale.
Les revêtements étudiés ont tous été collés avec de la colle standard à base d’eau. L’effet de la
colle rapide n’entre pas non plus dans le cadre du sujet.
c. Le revêtement
Avec le bois, c’est naturellement la partie la plus importante de la raquette, dans la mesure où
c’est elle qui est en contact direct avec la balle. Les revêtements sont abordés plus en détails dans
la partie suivante.
2. Le revêtement
a. Caractéristiques et différents types.
Avant tout, il faut savoir qu’un revêtement est le plus souvent constitué d’une mousse fabriquée
à partir de caoutchouc, et d’une plaque, le topsheet, elle aussi en caoutchouc, qui rentre en
contact avec la balle. C’est l’association de ces deux éléments qui donne les caractéristiques
finales. Ils sont indissociables, et fabriqués dans la même usine.
On distingue deux grandes familles de revêtements :
Les softs :
Ce sont des revêtements dont les picots
sont apparents, et tournés vers l’extérieur. Ils sont relativement peu utilisés, dans la mesure où ils
sont très difficiles à maîtriser, même s’ils permettent généralement de surprendre l’adversaire
avec des effets imprévisibles. Certains ne possèdent pas de mousse.
Les backsides :
Utilisés par une très grande majorité de
joueurs de haut niveau, ce sont des revêtements dont les picots sont cette fois ci tournés vers
l’intérieur. Ils permettent une très grande variété de coups, et sont par conséquent adaptés à la
plupart des joueurs.
b. Cadre de cette étude concernant les revêtements.
Les revêtements de type backside étant les plus courants, et pour obtenir une comparaison fiable,
j’ai choisi d’étudier uniquement ce type de plaque. Il faut savoir que plusieurs épaisseurs de
mousse existent pour un même caoutchouc, et puisque l’épaisseur de mousse a un rôle
primordial dans les caractéristiques de la raquette, tous les revêtements étudiés possèdent la
même épaisseur de mousse, en l’occurrence 1.5mm.
De plus, avec l’interdiction de la colle rapide, de nouvelles technologies se sont développées, et
les concepteurs ont ainsi mis au point des revêtements offensifs dits à « stockage d’énergie », qui
intègrent l’effet de la colle rapide directement dans la plaque. Cependant, l’épaisseur de la
mousse de ces revêtements nouvelle génération est légèrement différente des anciens, et par
conséquent, pour garder une épaisseur de mousse identique, j’ai décidé de ne pas étudier cette
nouvelle technologie.
Les revêtements sont tous les trois neufs, et conservés à température ambiante avec leur film de
protection pour garantir une propreté optimale.
II/ Détermination du coefficient de restitution
Le coefficient de restitution traduit la puissance restituée après rebond. Plus ce coefficient
compris entre 0 et 1 est élevé, plus la balle repart de la raquette avec une vitesse élevée. Ainsi, a
priori, le coefficient de restitution le plus élevé est celui du revêtement offensif.
1. Protocole expérimental
a.
Description de la manipulation
En situation de jeu, les balles peuvent atteindre des vitesses de l’ordre de 30m/s. Néanmoins,
pour des raisons techniques, il m’était impossible d’obtenir, et surtout d’exploiter de telles
vitesses de balle. Au-delà de ___________ km/h, la caméra dont je disposais n’était pas capable
d’afficher nettement la position de la balle, ce qui rendait impossible le pointage du centre de
gravité de la balle pour accéder par la suite à la vitesse initiale.
Cependant, le coefficient de restitution, défini comme la racine carré du rapport de deux rebonds
successifs, ou le rapport des vitesses avant et après rebond, ne dépend a priori que des deux
solides en contact, à savoir la balle et le topsheet. Aussi ai-je donc décidé d’effectuer des chutes
libres de balle de ping-pong d’une hauteur d’une cinquantaine de centimètres sur les 3
revêtements considérés, collés sur une planche de bois identique. A l’aide d’un logiciel de
traitement vidéo adapté, j’ai ensuite pu déterminer avec une précision de +/- 5mm les hauteurs
successives de rebond, ainsi que les vitesses avant et après rebond.
b.
Résultats de l’expérience
Les résultats sont consignés dans le tableau et le graphique ci-dessous :
(cf tableau excel) + graphe
Mesures réalisées avec une précision de 5mm pour chaque pointage, ce qui correspond à un
coefficient connu à 0,011 près. Mesure très précise car à l'aide d'une caméra. En revanche, pour
le coefficient obtenu avec la vitesse, mesure bien trop imprécise car vitesse juste avant et juste
après ne sont pas connues avec précision (manque d'IPS).
2. Interprétation et discussion
Si l'on considère la hauteur de chute initiale et la hauteur du premier rebond, on observe que les
valeurs des coefficients obtenus sont en accord avec l'intuition que l'on pourrait avoir. En effet,
c'est le revêtement V qui possède le coefficient le plus élevé (0,73), bien que peu supérieur à
celui de A (0,71). Celui du revêtement C ne dépasse pas 0,60, ce qui est normal puisqu'un
revêtement à fort contrôle possède une vitesse faible.
Pourquoi le revêtement C est-il aussi puissant que le V ?
Cependant, on observe que pour des hauteurs de chute inférieures, ce coefficient varie. Plus la
hauteur est faible, plus le coefficient est élevé. J'ai supposé que cela était du à la déformation du
revêtement lors du choc. Cette déformation est d'autant plus grande que la vitesse d'impact est
grande. Ceci expliquerait pourquoi le coefficient de restitution augmente quand la hauteur de
lancer diminue.
Il faut noter le cas particulier du revêtement A. Pour ce cas précis, le coefficient ne semble pas
varier avec la hauteur. Pour le vérifier, j'ai effectué quelques mesures supplémentaires, qui
s'avèrent confirmer les premières expériences (graphe 2). Une explication possible serait que
l'élasticité du revêtement est telle qu'il se déforme déjà beaucoup pour des vitesses faibles. La
réponse du revêtement est très vite maximale. Ainsi une vitesse plus élevée n'entraine pas de
déformation supplémentaire, ce qui explique la constance de ce revêtement.
Cette interprétation est cohérente avec la caractéristique principale du revêtement, qui est
l'adhérence. En effet, un revêtement adhérent à une capacité à imprimer de l'effet à une balle
parce que ses picots sont fins, espacés et hauts. La surface de contact balle/topsheet sera alors
très supérieure à un revêtement dont les picots sont larges, serrés et bas.
III/ Détermination du coefficient de frottements
Le coefficient de frottement, confondu ici avec le coefficient d’adhérence, traduit comme son
nom l’adhérence d’un couple de matériaux, et a fortiori sa capacité à imprimer une rotation à la
balle. Il s’agit ici du topsheet du revêtement considéré, et de la balle, en celluloïd ou en matière
plastique similaire.
1. Protocole expérimental
a.
Description de la manipulation
La mesure du coefficient m’a posé beaucoup de difficultés. Dans tous les cas, les mesures ont été
réalisées sur les mêmes revêtements, auparavant nettoyés de leurs souillures avec un produit
adéquat. De plus, chaque mesure a été réalisée, dans la mesure du possible, sur une partie
« vierge » du topsheet.
Initialement, j’ai voulu calculer la force nécessaire au déplacement d’une balle lestée placée sur
le revêtement. J’ai tenté de lester la balle avec de l’eau, pour éviter obtenir un glissement sans
roulement. Après avoir placé un crochet de fil de fer, et une fois le trou rebouché avec un peu de
pâte à fixe, j’ai voulu mesurer la force nécessaire avec un dynamomètre. Mais cette méthode
était trop peu précise. (à 0,02N près, soir 0,06 sur le coeff de frottements)
J’ai ensuite voulu remplacer le dynamomètre par un système de masses reliées à la balle lestée
par une poulie. A nouveau, la mesure était trop peu précise : les masses nécessaires variaient
selon les mesures de 20%.
De plus, la balle lestée entièrement avec de l’eau n’était pas très stable, et une balle lestée à
moitié pas assez lourde. J’ai donc remplacé l’eau par du sable, ce qui a procuré à la balle une
stabilité accrue pour un même poids.
Néanmoins les mêmes problèmes se sont posés avec la balle remplie de sable, que les mesures
soient réalisées avec un dynamomètre ou des masses. Imprécision : 5g, soit 0,19 J’ai alors décidé
de déterminer l’angle limite pour lequel il y a glissement d’une balle sur un revêtement posé sur
un plan incliné.
Il est clair qu’une seule balle, même lestée, roule pour un angle même faible. Puisque le
coefficient de frottement dépend des matériaux, il me fallait trouver un système pour empêcher
le roulement. J’ai trouvé la solution en construisant un triangle de balles reliées entre elles par de
la pâte à fixe.
Cependant, après avoir réalisé mes expériences, je me suis rendu compte qu’il y avait
basculement avant glissement, ce qui m’empêchait d’accéder au coefficient de frottements,
puisque le basculement ne dépend que de la géométrie du solide (alpha=2h/R dans le cas d’un
cylindre de rayon R et de hauteur h).
J’ai donc du revenir sur ma seconde méthode, à savoir la mesure de la composante tangentielle
de la réaction du revêtement sur la balle par l’intermédiaire des masses et de la poulie.
b.
Résultats de l’expérience
Cf tableau + graphe
2. Interprétation et discussions
Comme je l’ai indiqué, les mesures sont très peu précises. J’ai pu quantifier cette incertitude, et
elle s’avère être de +/- 3g sur les masses, ce qui correspond à une incertitude de l'ordre de 0,1 sur
le coefficient.
On observe que