La friction est partout autour de nous dans le monde réel. Lorsque deux surfaces interagissent ou se poussent l'une contre l'autre d'une manière ou d'une autre, une certaine énergie mécanique est convertie en d'autres formes, réduisant ainsi la quantité d'énergie restante pour le mouvement.
Alors que les surfaces lisses ont tendance à subir moins de friction que les surfaces rugueuses, ce n'est que dans le vide où cela n'a pas d'importance un véritable environnement sans friction, bien que les manuels de physique du secondaire fassent souvent référence à de telles situations pour simplifier calculs.
La friction empêche généralement le mouvement. Considérez un train roulant sur une voie ou un bloc glissant sur le sol. Dans un monde sans friction, ces objets continueraient leur mouvement indéfiniment. La friction les fait ralentir et éventuellement s'arrêter en l'absence de toute autre force appliquée.
Les satellites dans l'espace sont capables de maintenir leurs orbites avec peu d'énergie ajoutée en raison du vide quasi parfait de l'espace. Les satellites en orbite inférieure, cependant, rencontrent souvent des forces de friction sous forme de résistance de l'air et nécessitent un redémarrage périodique pour maintenir le cap.
Définition du frottement
Au niveau microscopique, le frottement se produit lorsque les molécules d'une surface interagissent avec des molécules d'une autre surface lorsque ces surfaces sont en contact et se poussent les unes contre les autres. Il en résulte une résistance lorsqu'un tel objet essaie de se déplacer tout en maintenant le contact avec l'autre objet. Nous appelons cette résistance la force de frottement. Comme les autres forces, c'est une quantité vectorielle mesurée en newtons.
Étant donné que la force de frottement résulte de l'interaction de deux objets, déterminer la direction dans laquelle elle agira un objet donné - et donc la direction pour le dessiner sur un diagramme de corps libre - nécessite de comprendre que interaction. La troisième loi de Newton nous dit que si l'objet A applique une force sur l'objet B, alors l'objet B applique une force égale mais dans la direction opposée sur l'objet A.
Donc, si l'objet A pousse contre l'objet B dans la même direction que l'objet A se déplace, la force de friction agira dans le sens opposé à la direction du mouvement de l'objet A. (C'est typiquement le cas avec le frottement de glissement, discuté dans la section suivante.) Si, d'autre part, l'objet A pousse sur l'objet B dans une direction opposée à sa direction de mouvement, alors la force de frottement finira par être dans la même direction que le mouvement de l'objet A. (C'est souvent le cas avec le frottement statique, également abordé dans la section suivante.)
L'amplitude de la force de frottement est souvent directement proportionnelle à la force normale, ou à la force pressant les deux surfaces l'une contre l'autre. La constante de proportionnalité varie en fonction des surfaces qui sont en contact. Par exemple, vous pouvez vous attendre à une friction plus faible lorsque deux surfaces « glissantes » – comme un bloc de glace sur un lac gelé – sont en contact, et une friction plus importante lorsque deux surfaces « rugueuses » sont en contact.
La force de frottement est généralement indépendante de la surface de contact entre les objets et la relative vitesses des deux surfaces (sauf dans le cas de la résistance de l'air, qui n'est pas abordée dans ce article.)
Types de friction
Il existe deux principaux types de frottement: le frottement cinétique et le frottement statique. Vous avez peut-être également entendu parler de ce qu'on appelle le frottement de roulement, mais comme nous le verrons plus loin dans cette section, il s'agit vraiment d'un phénomène différent.
Force de friction cinétique, également connu sous le nom de frottement de glissement, est la résistance due aux interactions de surface pendant qu'un objet glisse contre un autre, comme lorsqu'une boîte est poussée sur le sol. Le frottement cinétique agit à l'opposé de la direction du mouvement. C'est parce que l'objet glissant pousse contre la surface dans la même direction qu'il glisse, de sorte que la surface applique une force de friction sur l'objet dans la direction opposée.
Frottement statiqueest une force de friction entre deux surfaces qui se poussent l'une contre l'autre, mais ne glissent pas l'une par rapport à l'autre. Dans le cas d'une boîte poussée sur le sol, avant que la boîte ne commence à glisser, la personne doit pousser contre elle avec une force croissante, en poussant éventuellement assez fort pour la faire démarrer. Alors que la force de poussée augmente à partir de 0, la force de frottement statique augmente également, s'opposant à la force de poussée jusqu'à ce que la personne applique une force suffisamment grande pour surmonter le frottement statique maximal Obliger. À ce stade, la boîte commence à glisser et le frottement cinétique prend le relais.
Cependant, les forces de friction statiques permettent également certains types de mouvement. Considérez ce qui se passe lorsque vous marchez sur le sol. Lorsque vous faites un pas, vous poussez vers l'arrière sur le sol avec votre pied, et le sol, à son tour, vous pousse vers l'avant. C'est la friction statique entre votre pied et le sol qui provoque cela, et dans ce cas, la force de friction statique finit par être dans la direction de votre mouvement. Sans friction statique, lorsque vous poussez vers l'arrière contre le sol, votre pied glisse et vous marchez sur place !
Résistance au roulementest parfois appelé frottement de roulement, bien que ce soit un terme impropre car il s'agit d'une perte d'énergie due à la déformation de les surfaces en contact lorsqu'un objet roule, par opposition à un résultat de surfaces essayant de glisser contre chacune autre. C'est similaire à l'énergie perdue lorsqu'une balle rebondit. La résistance au roulement est généralement très faible par rapport au frottement statique et cinétique. En fait, il est rarement abordé dans la plupart des textes de physique des collèges et lycées.
La résistance au roulement ne doit pas être confondue avec les effets de frottement statique et cinétique sur un objet roulant. Un pneu, par exemple, peut subir un frottement de glissement sur l'essieu lorsqu'il tourne, et il peut également subir un frottement statique, ce qui maintient le pneu de glisser en roulant (le frottement statique dans ce cas, comme pour la personne qui marche, finit par agir dans le sens de mouvement.)
Équation de frottement
Comme mentionné précédemment, l'amplitude de la force de frottement est directement proportionnelle à l'amplitude de la force normale, et la constante de proportionnalité dépend des surfaces en question. Rappelez-vous que la force normale est la force perpendiculaire à la surface, qui contrecarre toute autre force appliquée dans cette direction.
La constante de proportionnalité est une quantité sans unité appelée lacoefficient de friction, qui varie avec la rugosité des surfaces en question, et est typiquement représenté par la lettre grecqueμ.
F_f = \mu F_N
Conseils
Cette équation ne concerne que l'amplitude du frottement et des forces normales. Ils ne pointent pas dans la même direction !
Notez que n'est pas le même pour le frottement statique et cinétique. Le coefficient comprend souvent un indice, avecμkse référant au coefficient de frottement cinétique etμsse référant au coefficient de frottement statique. Les valeurs de ces coefficients pour différents matériaux peuvent être consultées dans un tableau de référence. Les coefficients de frottement pour certaines surfaces courantes sont répertoriés dans le tableau suivant.
| Système | Frottement statique (μs) | Friction cinétique (μk) |
|---|---|---|
Caoutchouc sur béton sec |
1 |
0.7 |
Caoutchouc sur béton humide |
0.7 |
0.5 |
Bois sur bois |
0.5 |
0.3 |
Bois ciré sur neige mouillée |
0.14 |
0.1 |
Métal sur bois |
0.5 |
0.3 |
Acier sur acier (sec) |
0.6 |
0.3 |
Acier sur acier (huilé) |
0.05 |
0.03 |
Téflon sur acier |
0.04 |
0.04 |
Os lubrifié par le liquide synovial |
0.016 |
0.015 |
Chaussures sur bois |
0.9 |
0.7 |
Chaussures sur glace |
0.1 |
0.05 |
Glace sur glace |
0.1 |
0.03 |
Acier sur glace |
0.04 |
0.02 |
https://openstax.org/books/college-physics/pages/5-1-friction
Les valeurs de pour la résistance au roulement sont souvent inférieures à 0,01, et de manière significative, vous pouvez donc voir qu'en comparaison, la résistance au roulement est souvent négligeable.
Lorsque vous travaillez avec un frottement statique, la formule de la force est souvent écrite comme suit :
F_f \leq \mu_s F_N
Avec l'inégalité représentant le fait que la force de frottement statique ne peut jamais être supérieure aux forces qui s'y opposent. Par exemple, si vous essayez de pousser une chaise sur le sol, avant que la chaise ne commence à glisser, la friction statique agira. Mais sa valeur variera. Si vous appliquez 0,5 N à la chaise, la chaise subira 0,5 N de friction statique pour contrer cela. Si vous poussez avec 1,0 N, alors la friction statique devient 1,0 N, et ainsi de suite jusqu'à ce que vous poussez avec plus que la valeur maximale de la force de friction statique et que la chaise commence à glisser.
Exemples de friction
Exemple 1:Quelle force doit être appliquée à un bloc de métal de 50 kg pour le pousser sur un plancher en bois à vitesse constante ?
Solution:Tout d'abord, nous dessinons le diagramme du corps libre afin d'identifier toutes les forces agissant sur le bloc. Nous avons la force de gravité agissant vers le bas, la force normale agissant vers le haut, la force de poussée agissant vers la droite et la force de friction agissant vers la gauche. Puisque le bloc est censé se déplacer à une vitesse constante, nous savons que toutes les forces doivent s'additionner à 0.
Les équations de force nette pour cette configuration sont les suivantes :
F_{netx} = F_{push} - F_f = 0\\ F_{nety} = F_N - F_g = 0
De la deuxième équation, on obtient que :
F_N = F_g = mg = 50\x 9,8 = 490 \text{ N}
En utilisant ce résultat dans la première équation et en résolvant la force de poussée inconnue, nous obtenons :
F_{push} = F_f = \mu_kF_N = 0.3\times 490 = 147\text{ N}
Exemple 2 :Quel est l'angle d'inclinaison maximal qu'une rampe peut avoir avant qu'une caisse de 10 kg posée dessus ne commence à glisser? Avec quelle accélération va-t-il glisser à cet angle? Présumerμsest de 0,3 etμkest de 0,2.
Solution:Encore une fois, nous commençons par un diagramme de corps libre. La force gravitationnelle agit vers le bas, la force normale agit perpendiculairement à la pente et la force de friction agit sur la rampe.
•••Dana Chen | Sciences
Pour la première partie du problème, nous savons que la force nette doit être 0 et la force de frottement statique maximale estμsFN.
Choisissez un système de coordonnées aligné avec la rampe de telle sorte que vers le bas de la rampe se trouve l'axe x positif. Ensuite, divisez chaque force enX-etoui-composants, et écrire les équations de force nette :
F_{netx} = F_g\sin(\theta) - F_f = 0\\ F_{nety} = F_N - F_g\cos(\theta) = 0
Ensuite, remplacezμsFN pour le frottement et résoudre pourFNdans la deuxième équation :
F_g\sin(\theta) - \mu_sF_N = 0 \\ F_N - F_g\cos(\theta) = 0\implique F_N = F_g\cos(\theta)
Branchez la formule pourFNdans la première équation et résoudre pourθ:
F_g\sin(\theta) - \mu_sF_g\cos(\theta) = 0\\ \implies F_g\sin(\theta) = \mu_sF_g\cos(\theta)\\ \implies \frac{\sin(\theta)}{\cos(\theta)} = \mu_s\\ \implies \tan(\theta) = \mu_s\\ \implies \theta = \tan^{-1}(\mu_s)
En branchant la valeur de 0,3 pourμs donne le résultatθ= 16,7 degrés.
La deuxième partie de la question utilise maintenant le frottement cinétique. Notre diagramme de corps libre est essentiellement le même. La seule différence est que nous connaissons maintenant l'angle de l'inclinaison, et la force nette n'est pas 0 dans leXdirection. Ainsi nos équations de force nette deviennent :
F_{netx} = F_g\sin(\theta) - F_f = ma\\ F_{nety} = F_N - F_g\cos(\theta) = 0
Nous pouvons résoudre la force normale dans la deuxième équation, comme précédemment, et la brancher dans la première équation. Faire cela et ensuite résoudre pourunedonne :
F_g\sin(\theta) - \mu_kF_g\cos(\theta) = ma\\ = \cancel{m}g\sin(\theta) - \mu_k \cancel{m}g\cos(\theta) = \ cancel{m}a\\ \implies a = g\sin(\theta) - \mu_kg\cos(\theta)
Maintenant, c'est une simple question de brancher des chiffres. Le résultat final est :
a = g\sin(\theta) - \mu_kg\cos(\theta) = 9,8\sin (16,7) - 0,2\times 9,8\cos (16,7) = 0,94 \text{ m/s}^2