Friction

Le frottement joue un rôle essentiel dans notre vie quotidienne. Nous sommes, par exemple, capables de marcher ou de conduire une voiture grâce à la présence de frottements. La force de frottement résulte de l'interaction entre les atomes et les molécules. À la surface, deux objets peuvent sembler très lisses, mais à l'échelle moléculaire, il existe de nombreuses zones rugueuses qui provoquent des frottements.

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    Parfois, le frottement peut être indésirable, et des lubrifiants de différents types sont utilisés pour le réduire. Par exemple, dans les machines, où le frottement peut user certaines pièces, on utilise des lubrifiants à base d'huile pour le réduire.

    Qu'est-ce que la friction ?

    Lorsqu'un objet est en mouvement ou au repos sur une surface ou dans un milieu, comme l'air ou l'eau, il existe une résistance qui s'oppose à son mouvement et tend à le maintenir au repos. Cette résistance est connue sous le nom de frottement.

    Friction. Interaction entre deux surfaces. StudySmarter

    Figure 1. Représentation visuelle de l'interaction entre deux surfaces à l'échelle microscopique. Source : StudySmarter.

    Bien que deux surfaces en contact puissent sembler très lisses, à l'échelle microscopique, il existe de nombreux pics et creux qui entraînent des frottements. Dans la pratique, il est impossible de créer un objet dont la surface est absolument lisse. Selon la loi de la conservation de l'énergie, aucune énergie n'est jamais détruite dans un système. Dans ce cas, le frottement produit de l'énergie thermique, qui se dissipe à travers le milieu et les objets eux-mêmes.

    Le frottement résulte des forces électriques interatomiques

    Le frottement est un type deforce de contact et, en tant que tel, il résulte desforces électriques interatomiques . À l'échelle microscopique, les surfaces des objets ne sont pas lisses ; elles sont constituées de minuscules pics et crevasses. Lorsque les pointes glissent et se heurtent les unes aux autres, les nuages d'électrons autour des atomes de chaque objet essaient de se repousser les uns les autres. Il peut également y avoir des liaisons moléculaires qui se forment entre les parties des surfaces pour créer une adhérence, qui lutte également contre le mouvement. Toutes ces forces électriques mises ensemble composent la force de frottement générale qui s'oppose au glissement.

    Force de frottement statique

    Dans un système, si tous les objets sont immobiles par rapport à un observateur externe, la force de frottement produite entre les objets est connue sous le nom de force de frottement statique.

    Comme son nom l'indique, il s'agit de la force de frottement (fs) qui est en action lorsque les objets en interaction sont statiques . Comme la force de frottement est une force comme les autres, elle est mesurée en newtons. La direction de la force de frottement est dans le sens opposé à celui de la force appliquée. Considérons un bloc de masse m et une force F agissant sur lui, telle que le bloc reste au repos.

    Friction. Les forces qui agissent sur un objet. StudySmarter

    Figure 2. Ensemble des forces qui agissent sur une masse posée sur une surface. Source : StudySmarter.

    Quatre forces agissent sur l'objet : la force gravitationnelle mg, la force normale N, la force de frottement statique fs et la force appliquée de magnitude F. L'objet restera en équilibre jusqu'à ce que la magnitude de la force appliquée soit plus grande que la force de frottement. La force de frottement est directement proportionnelle à la force normale exercée sur l'objet. Par conséquent, plus l'objet est léger, moins il y a de frottement.

    \[f_s \varpropto N\]

    Pour supprimer le signe de proportionnalité, nous devons introduire une constante de proportionnalité, appelée coefficient de frottement statique, noté ici μs.

    Cependant, dans ce cas, il y aura une inégalité. L'ampleur de la force appliquée augmentera jusqu'à un point après lequel l'objet commencera à bouger, et nous n'aurons plus de frottement statique. Ainsi, la valeur maximale du frottement statique est de μs⋅N, et toute valeur inférieure à celle-ci est une inégalité. Cela peut s'exprimer comme suit :

    \N- [f_s \Nleq \Nmu_s N\N]

    Ici, la force normale est \N(N = mg\N).

    Force de frottement cinétique

    Comme nous l'avons vu précédemment, lorsque l'objet est au repos, la force de frottement en action est le frottement statique. Cependant, lorsque la force appliquée est supérieure au frottement statique, l'objet n'est plus immobile.

    Lorsque l'objet est en mouvement en raison d'une force extérieure déséquilibrée, la force de frottement associée au système est connue sous le nom deforce de frottement cinétique.

    Au moment où la force appliquée dépasse la force de frottement statique, le frottement cinétique entre en action. Comme son nom l'indique, elle est associée au mouvement de l'objet. Le frottement cinétique n'augmente pas de façon linéaire à mesure que la force appliquée augmente. Au début, la force de frottement cinétique diminue en magnitude et reste ensuite constante tout au long du processus.

    Le frottement cinétique peut en outre être classé en trois types : le frottement de glissement, le frottement de roulement et le frottement des fluides.

    Lorsqu'un objet peut tourner librement autour d'un axe (une sphère sur un plan incliné), la force de frottement en action est connue sous le nom de frottement de roulement.

    Lorsqu'un objet est en mouvement dans un milieu tel que l'eau ou l'air, le milieu provoque une résistance que l'on appelle frottement fluide.

    Par fluide, on n'entend pas seulement les liquides, car les gaz sont également considérés comme des fluides.

    Lorsqu'un objet n'est pas circulaire et ne peut subir qu'un mouvement de translation (un bloc sur une surface), le frottement produit lorsque cet objet est en mouvement est appelé frottement de glissement.

    Les trois types de frottement cinétique peuvent être déterminés à l'aide d'une théorie générale du frottement cinétique. Comme le frottement statique, le frottement cinétique est également proportionnel à la force normale. La constante de proportionnalité, dans ce cas, s'appelle le coefficient de frottement cinétique.

    \[f_k = \mu_k N\]

    Ici, μk est le coefficient de frottement cinétique, tandis que N est la force normale.

    Les valeurs de μk et de μs dépendent de la nature des surfaces, μk étant généralement inférieur à μs. Les valeurs typiques sont comprises entre 0,03 et 1,0. Il est important de noter que la valeur du coefficient de frottement ne peut jamais être négative. Il peut sembler qu'un objet ayant une plus grande surface de contact aura un coefficient de frottement plus important, mais le poids de l'objet est uniformément réparti et n'affecte donc pas le coefficient de frottement. Tu trouveras dans la liste suivante quelques coefficients de frottement typiques.

    Surfaces
    Caoutchouc sur béton0.71.0
    Acier sur acier0.570.74
    Aluminium sur acier0.470.61
    Verre sur verre0.400.94
    Cuivre sur acier0.360.53

    La relation géométrique entre le frottement statique et le frottement cinétique

    Considérons un bloc de masse m sur une surface et une force extérieure F appliquée parallèlement à la surface, qui augmente constamment jusqu'à ce que le bloc commence à bouger. Nous avons vu comment le frottement statique puis le frottement cinétique entrent en action. Représentons graphiquement les forces de frottement en fonction de la force appliquée.

    Friction. Frottement statique et cinétique par rapport à la force appliquée. StudySmarter

    Figure 3. Représentation graphique des frottements statiques et cinétiques en fonction de la force appliquée. Source : StudySmarter.

    Comme nous l'avons vu précédemment, la force appliquée est une fonction linéaire de la friction statique, et elle augmente jusqu'à une certaine valeur, après quoi la friction cinétique entre en action. L'ampleur du frottement cinétique diminue jusqu'à ce qu'une certaine valeur soit atteinte. La valeur du frottement reste alors presque constante avec l'augmentation de la valeur de la force extérieure.

    Calcul de la force de frottement

    Le frottement est calculé à l'aide de la formule suivante, avec \(\mu\) comme coefficient de frottement etFN commeforce normale :

    \[|F_f| \leq \mu |F_n|\]

    Chaque force est exprimée en Newtons, N. Cette formule montre que l'ampleur de la force de frottement dépend du coefficient de frottement, comme nous l'avons vu plus haut, ainsi que de l'ampleur de la force normale . Plus le coefficient de frottement ou la force normale augmente, plus la force de frottement augmente. Cela est intuitivement logique - lorsque nous poussons une boîte, il est plus difficile de la pousser lorsque la surface est plus rugueuse et que la boîte est plus lourde.

    Équation de la friction statique

    Le signe "égal ou inférieur" dans l'équation générale ci-dessus est spécifique à la friction statique. En effet, si tu pousses contre une boîte et qu'elle ne bouge pas, la force de frottement sera égale à la force de ta poussée (car sans accélération, la somme des forces est égale à zéro). Ainsi, si tu pousses avec une force de 5N, la force de frottement qui s'oppose au mouvement sera de 5N ; si tu pousses avec 10N et que la boîte ne bouge toujours pas, la force de frottement sera de 10N. Par conséquent, nous écrivons généralement l'équation générale de la friction statique comme suit :

    \[|F_s| \leq \mu_s |F_n|\]

    Pour trouver la force maximale que tu peux appliquer sans que la boîte ne bouge, ou pour que la boîte commence tout juste à bouger, tu dois définir la force de frottement comme étant égale au coefficient de frottement multiplié par la force normale :

    \[|F_{smax}| = \mu_s|F_n|\]

    Équation de la friction cinétique

    Puisque l'objet est déjà en mouvement pour que le frottement cinétique s'applique, le frottement cinétique ne peut pas être inférieur au coefficient de frottement multiplié par la force normale. L'équation du frottement cinétique est donc simplement la suivante :

    \[|F_k| = \mu_k|F_n|\]

    Frottement sur un plan incliné

    Jusqu'à présent, nous nous sommes concentrés sur les objets se trouvant sur une surface horizontale. Considérons maintenant un objet au repos sur un plan incliné, qui forme un angle θ avec l'horizontale.

    Friction. Friction sur un plan incliné. Étudier plus intelligemment

    Figure 4. Un objet au repos sur une surface inclinée, avec toutes les forces qui agissent sur lui. Source : StudySmarter.

    En considérant toutes les forces qui agissent sur l'objet, nous constatons que la force gravitationnelle, la friction et la force normale sont toutes les forces qui doivent être prises en compte. Comme l'objet est en équilibre, ces forces devraient s'annuler.

    Nous pouvons considérer nos axes cartésiens n'importe où pour rendre nos calculs pratiques. Imaginons les axes le long du plan incliné, comme le montre la figure 4. Tout d'abord, la gravité agit verticalement vers le bas, donc sa composante horizontale sera mg sinθ, ce qui équilibre la friction statique agissant dans la direction opposée. La composante verticale de la gravité sera mg cosθ, qui est égale à la force normale agissant sur elle. En écrivant les forces équilibrées de façon algébrique, on obtient :

    \[f_s = mg \sin \theta_c\]

    \[N = mg \cos \theta\]

    Lorsque l'angle d'inclinaison est augmenté jusqu'à ce que le bloc soit sur le point de glisser, la force de frottement statique a atteint sa valeur maximale μsN. L'angle dans cette situation est appelé l'angle critique θc. En le substituant, on obtient :

    \[\mu_s N = mg \sin \theta _c\].

    La force normale est :

    \N[N = mg \Ncos \Ntheta_c\N]

    Nous avons maintenant deux équations simultanées. Comme nous cherchons la valeur du coefficient de frottement, nous prenons le rapport des deux équations et nous obtenons :

    \[\frac{\mu_s N}{N} = \frac{mg \sin \theta_c}{mg \cos \theta_c}]. \qquad \mu_s = \tan \theta_c\]

    Ici, θc est l'angle critique. Dès que l'angle du plan incliné dépasse l'angle critique, le bloc commence à se déplacer. La condition pour que le bloc reste en équilibre est donc :

    \[\theta \leq \theta_c\]

    Lorsque l'inclinaison dépasse l'angle critique, le bloc commence à accélérer vers le bas et la friction cinétique entre en action. On constate donc que la valeur du coefficient de frottement peut être déterminée en mesurant l'angle d'inclinaison du plan.

    Un palet de hockey, qui repose sur la surface d'un étang gelé, est poussé à l'aide d'une crosse de hockey. Le palet reste immobile, mais on remarque que toute force supplémentaire le met en mouvement. La masse du palet est de 200 g et le coefficient de frottement est de 0,7. Trouve la force de frottement qui agit sur le palet (g = 9,81 m/s2).

    Comme le palet commencera à bouger avec un peu plus de force, la valeur de la friction statique sera maximale.

    \(f_s = \mu_s N\)

    \N(N = mg\N)

    Ce qui nous donne :

    \(f_s = \mu_s mg\)

    En substituant toutes les valeurs, nous obtenons :

    \(f_s = 0,7(0,2 kg) (9,81 m/s^2)\)

    \N(f_s = 1,3734 N\N)

    Nous avons donc déterminé la force de frottement qui agit sur le palet lorsqu'il est au repos.

    Symbole du coefficient de frottement

    Différents types de surfaces contribuent à différentes quantités de frottement. Pense à la difficulté qu'il y a à pousser une boîte sur du béton plutôt que sur de la glace. Lecoefficient de frottement permet de tenir compte de cette différence. Le coefficient de frottement est un nombre sans unité qui dépend de la rugosité (ainsi que d'autres qualités) des deux surfaces qui interagissent. De nombreuses expériences ont été réalisées afin de déterminer un coefficient de frottement pour l'interaction de surfaces communes.

    Lesymbole du coefficient de frottement est la lettre grecque mu : \(\mu\). Pour différencier le frottement statique du frottement cinétique, on peut utiliser un indice "s" pour statique, \ (\mu_s\), et "k" pour cinétique, \ (\mu_k\).

    Comment le frottement affecte-t-il le mouvement ?

    Si un objet se déplace sur une surface, il commencera à ralentir à cause du frottement. Plus la force de frottement est importante, plus l'objet ralentira rapidement. Par exemple, il y a une très petite quantité de friction qui agit sur les patins des patineurs sur glace, ce qui leur permet de glisser facilement sur une patinoire sans décélération importante. En revanche, le frottement est très important lorsque tu essaies de pousser un objet sur une surface rugueuse, par exemple une table sur un sol recouvert de moquette.

    Friction patineur StudySmarter

    Figure 5. Les patineurs sur glace subissent très peu de frottement lorsqu'ils se déplacent sur la surface lisse d'une patinoire.

    Il serait extrêmement difficile de se déplacer sans friction ; tu le sais probablement déjà, car lorsque tu essaies de marcher sur un sol recouvert de glace et de pousser contre le sol derrière toi, ton pied se dérobe sous toi. Lorsque tu marches, tu pousses ton pied contre le sol afin de te propulser vers l'avant. La force réelle qui te pousse vers l'avant est la force de frottement du sol sur ton pied. Les voitures se déplacent de la même façon, les roues se repoussent sur la route à l'endroit du dessous où elles sont en contact avec elle et le frottement de la surface de la route pousse dans la direction opposée, ce qui fait avancer la voiture.

    Chaleur et frottement

    Si tu frottes tes mains l'une contre l'autre, ou contre la surface d'un bureau, tu ressentiras une force de frottement . Si tu bouges ta main assez vite, tu remarqueras qu'elle devient chaude. Deux surfaces s'échauffent lorsqu'elles sont frottées l'une contre l'autre et cet effet est d'autant plus important qu'il s'agit de surfaces rugueuses.

    La raison pour laquelle deux surfaces chauffent lorsqu'elles sont frottées est que la force de frottement effectue un travail et convertit l'énergie cinétique stockée dans le mouvement de tes mains en énergie thermique stockée dans tes mains. Lorsque les molécules qui composent ta main se frottent les unes aux autres, elles acquièrent de l'énergie cinétique et commencent à vibrer. Cette énergie cinétique associée aux vibrations aléatoires des molécules ou des atomes est ce que nous appelons l'énergie thermique ou la chaleur.

    La résistance de l'air peut également faire en sorte que les objets deviennent très chauds en raison de l'énergie thermique libérée. Par exemple, les navettes spatiales sont recouvertes d'un matériau résistant à la chaleur afin de les protéger contre la combustion. Cela est dû aux fortes augmentations de température dues à la résistance de l'air qu'elles subissent lorsqu'elles traversent l'atmosphère terrestre.

    Surfaces endommagées et frottement

    Un autre effet du frottement est qu'il peut endommager deux surfaces si elles se déforment facilement. Cela peut s'avérer utile dans certains cas :

    Lorsqu'on efface une marque de crayon sur une feuille de papier, le caoutchouc crée une friction en frottant contre le papier et une très fine couche de la surface supérieure est enlevée, de sorte que la marque est essentiellement effacée.

    Vitesse terminale

    L'un des effets intéressants de la traînée est la vitesse terminale. Prenons l'exemple d'un objet qui tombe d'une certaine hauteur sur la terre. L'objet ressent la force gravitationnelle due à la terre et il ressent une force ascendante due à la résistance de l'air. À mesure que sa vitesse augmente, la force de frottement due à la résistance de l'air augmente également. Lorsque cette force devient suffisamment importante pour être égale à la force due à la gravité , l'objet n'accélère plus et a atteint sa vitesse maximale - c'est sa vitesse terminale. Tous les objets tomberaient à la même vitesse s'ils ne subissaient pas la résistance de l'air.

    Les effets de la résistance de l'air peuvent également être observés dans l'exemple de la vitesse maximale des voitures. Si une voiture accélère avec la force motrice maximale qu'elle peut produire, la force due à la résistance de l'air augmentera au fur et à mesure que la voiture se déplace plus vite. Lorsque la force motrice est égale à la somme des forces dues à la résistance de l'air et au frottement avec le sol, la voiture aura atteint sa vitesse maximale.


    Friction - Points clés à retenir

    • Il existe deux types de frottement : le frottement statique et le frottement cinétique. Ils n'entrent pas en action simultanément mais existent seulement de façon indépendante.
    • Le frottement statique est la force de frottement en action lorsqu'un objet est au repos.
    • Le frottement cinétique est la force de frottement en action lorsque l'objet est en mouvement.
    • Le coefficient de frottement dépend uniquement de la nature de la surface.
    • Sur un plan incliné, le coefficient peut être déterminé uniquement par l'angle d'inclinaison.
    • Les valeurs typiques du coefficient de frottement ne dépassent pas 1 et ne peuvent jamais être négatives.
    • Les forces de frottement sont universelles et il est pratiquement impossible d'avoir une surface sans frottement.
    Questions fréquemment posées en Friction
    Qu'est-ce que la friction en physique ?
    La friction en physique est la force qui résiste au mouvement relatif de deux surfaces en contact.
    Quels sont les types de friction ?
    Les types de friction incluent la friction statique, la friction cinétique et la friction de roulement.
    Comment la friction affecte-t-elle le mouvement ?
    La friction ralentit ou arrête le mouvement des objets en exerçant une force opposée à la direction du mouvement.
    Quelles sont les applications pratiques de la friction ?
    La friction est utilisée dans les freins de voiture, les chaussures de sport pour l'adhérence et les ceintures de sécurité.

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