Friction

Qu'est-ce que la friction ?

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

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.

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.

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.

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 béton	0.7	1.0
Acier sur acier	0.57	0.74
Aluminium sur acier	0.47	0.61
Verre sur verre	0.40	0.94
Cuivre sur acier	0.36	0.53

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.

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 et_FN 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.

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.

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.

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.

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 :

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.