Frottement statique

Frottement statique : Définition

Si nous avons une boîte sur le sol et que nous essayons de la pousser avec une certaine force, il se peut que la boîte reste immobile et ne bouge pas. Cela est dû à la force de frottement statique. La force de frottement statique se produit lorsque l'objet et la surface sont au repos l'un par rapport à l'autre. Il n'y a pas de mouvement de l'un par rapport à l'autre. Grâce à la friction statique, un objet restera immobile sur une surface sans glisser. Le sol exerce une force de frottement statique qui est égale en magnitude et opposée en direction à la force appliquée jusqu'à ce que la force appliquée soit supérieure à la force de frottement statique maximale. La force de frottement statique peut être représentée par \(\overset\rightharpoonup{f_{\mathrm s}}\).

Fig. 2 - Une boîte initialement au repos subit une force appliquée \(\overset\rightharpoonup F\) pour surmonter la force de frottement statique.

Dans la figure ci-dessus, nous voyons une boîte qui est initialement au repos. La force normale \(\overset\rightharpoonup N\) est dirigée vers le haut et est exercée sur la boîte par le sol, tandis que le poids \(\overset\rightharpoonup W\) agit vers le bas. Comme la boîte est en équilibre, les amplitudes de la force normale et du poids sont égales.

Ensuite, une force \N(\Ndans le sens des aiguilles d'une montre) est appliquée sur la boîte, la tirant vers la droite, et la magnitude de cette force appliquée augmente progressivement. La boîte restera au repos pendant un certain temps. En effet, même si la force augmente, la force de frottement statique augmente également afin d'équilibrer l'ampleur de la force \(\overset\rightharpoonup F\).

La force nécessaire pour déplacer la boîte est égale et opposée à la force de frottement statique maximale. La valeur maximale de la force de frottement statique est représentée par \({(f_{\mathrm s})}_\max\) et elle est proportionnelle à l'ampleur de la force normale. Le facteur de proportionnalité est représenté par \(\mu_{\mathrm s}\) et s'appelle le coefficient de frottement statique. Une fois que la force de frottement statique maximale est surmontée, la boîte commence à glisser vers la droite.

Friction statique : Formule

La valeur réelle du frottement statique peut varier de zéro (lorsqu'aucune force n'est exercée sur l'objet) à une valeur maximale, qui est représentée mathématiquement comme suit

$$f_s\leq{(f_s)}_{max}=\mu_sN.$$

D'après la représentation mathématique, la relation de frottement statique s'établit entre des grandeurs, car la grandeur du frottement statique est proportionnelle à la fois à la grandeur de la force normale et à la rugosité entre les deux surfaces en contact. Par conséquent, les directions n'ont pas d'importance comme dans les relations vectorielles.

Que signifie donc cette formule ?

• Lorsque la force exercée \(\overset\rightharpoonup F\) est à une valeur à laquelle le mouvement commence, la formule peut être utilisée pour calculer l'ampleur de la force de frottement statique.
• Si la force \(\overset\rightharpoonup F\) ne fait pas bouger l'objet, alors l'ampleur de la force de frottement statique doit être inférieure à \(\mu_sN\). Dans ce cas, l'ampleur de la force de frottement statique sera simplement égale à l'ampleur de la force appliquée \(\overset\rightharpoonup F\).

Limiter le frottement

Nous avons mentionné qu'il existe une limite où la force \(\overrightarrow F\) est supérieure à la valeur maximale de la force de frottement statique. Si cette limite est dépassée, la boîte commence à bouger. Lorsque la force de frottement statique est maximale et que le mouvement est sur le point de commencer, la force de frottement est appelée frottement limite. Lorsque le mouvement commence, l'objet ne subit plus de frottement statique. Au lieu de cela, l'objet subit la force de frottement cinétique.

Fig. 3 - Diagramme montrant comment les forces de frottement statique et de frottement cinétique changent avec l'augmentation de la force appliquée.

Si nous examinons le graphique ci-dessus, nous constatons qu'avec une force appliquée croissante \(\overset\rightharpoonup F\), l'ampleur de la force de frottement statique commence à augmenter également jusqu'à ce qu'elle atteigne un pic où l'ampleur est celle du frottement limite. Ensuite, l'objet commence à bouger et la force de frottement statique n'est plus efficace, mais la force de frottement cinétique l'est.

Exemples de frottement statique

Maintenant, étudions quelques exemples impliquant la force de frottement statique.

Frottement statique et frottement cinétique

Quelle est donc la différence entre le frottement statique et le frottement cinétique ?

Les différences entre les forces de frottement statique et de frottement cinétique peuvent être résumées comme suit :

1. Le frottement statique ne s'exerce que lorsque l'objet est immobile, tandis que la force de frottement cinétique s'exerce lorsque l'objet est en mouvement. (Une façon de se souvenir de la différence clé entre les deux est de réfléchir de façon critique à leurs définitions. Alors que statique signifie absence de mouvement, cinétique signifie lié au mouvement ou résultant du mouvement).
2. La valeur maximale de la force de frottement statique est toujours supérieure à la force de frottement cinétique parce qu'il est toujours plus facile pour un objet de maintenir un mouvement que de commencer un mouvement à partir du repos.
3. La valeur de la force de frottement cinétique sur une surface sèche est essentiellement constante, quelle que soit la vitesse de l'objet. Alors que la magnitude de la friction statique augmente avec la force appliquée jusqu'à ce qu'elle atteigne la friction limite.