Le frottement fait partie du quotidien. Alors que dans les problèmes de physique idéalisés, vous ignorez souvent des choses comme la résistance de l'air et la force de friction, si vous voulez déterminer avec précision calculer le mouvement des objets sur une surface, vous devez tenir compte des interactions au point de contact entre l'objet et le surface.
Cela signifie généralement travailler avec un frottement de glissement, un frottement statique ou un frottement de roulement, selon la situation spécifique. Bien qu'un objet roulant comme une balle ou une roue éprouve clairement moins de force de friction qu'un objet que vous devez diapositive, vous aurez toujours besoin d'apprendre à calculer la résistance au roulement pour décrire le mouvement d'objets tels que des pneus de voiture sur asphalte.
Définition du frottement de roulement
Le frottement de roulement est un type de frottement cinétique, également appelérésistance au roulement, qui s'applique au mouvement de roulement (par opposition au mouvement de glissement - l'autre type de friction cinétique) et s'oppose au mouvement de roulement essentiellement de la même manière que les autres formes de force de friction.
D'une manière générale, le roulement n'implique pas autant de résistance que le glissement, donc lecoefficient de frottement de roulementsur une surface est généralement inférieur au coefficient de frottement pour les situations de glissement ou statiques sur la même surface.
Le processus de laminage (ou le laminage pur, c'est-à-dire sans glissement) est assez différent du glissement, parce que le roulement comprend une friction supplémentaire lorsque chaque nouveau point de l'objet entre en contact avec le surface. De ce fait, à tout moment, il y a un nouveau point de contact et la situation est instantanément similaire à un frottement statique.
Il existe de nombreux autres facteurs au-delà de la rugosité de la surface qui influencent également le frottement de roulement; par exemple, la quantité de déformation de l'objet et de la surface du mouvement de roulement lorsqu'ils sont en contact affecte la force de la force. Par exemple, les pneus de voiture ou de camion ont une plus grande résistance au roulement lorsqu'ils sont gonflés à une pression inférieure. En plus des forces directes qui poussent sur un pneu, une partie de la perte d'énergie est due à la chaleur, appeléepertes d'hystérésis.
Équation pour le frottement de roulement
L'équation du frottement de roulement est fondamentalement la même que les équations du frottement de glissement et statique frottement, sauf avec le coefficient de frottement de roulement à la place du coefficient similaire pour d'autres types de friction.
UtilisantFk, r pour la force de frottement de roulement (c'est-à-dire cinétique, de roulement),Fm pour la force normale etμk, r pour le coefficient de frottement de roulement, l'équation est :
F_{k, r} = μ_{k, r}F_n
Puisque le frottement de roulement est une force, l'unité deFk, r est des newtons. Lorsque vous résolvez des problèmes impliquant un corps roulant, vous devez rechercher le coefficient spécifique de frottement de roulement pour vos matériaux spécifiques. Engineering Toolbox est généralement un fantastique Ressource pour ce type de chose (voir Ressources).
Comme toujours, la force normale (Fm) a la même amplitude de poids (c'est-à-dire,mg, oùmest la masse etg= 9,81 m/s2) de l'objet sur une surface horizontale (en supposant qu'aucune autre force n'agit dans cette direction), et il est perpendiculaire à la surface au point de contact.Si la surface est inclinéeà un angleθ, l'amplitude de la force normale est donnée parmgcos (θ).
Calculs avec friction cinétique
Le calcul du frottement de roulement est un processus assez simple dans la plupart des cas. Imaginez une voiture avec une masse dem= 1 500 kg, conduite sur asphalte et avecμk, r = 0.02. Quelle est la résistance au roulement dans ce cas ?
En utilisant la formule, à côtéFm = mg(sur une surface horizontale):
\begin{aligné} F_{k, r} &= μ_{k, r}F_n \\ &= μ_{k, r} mg \\ &= 0,02 × 1500 \;\text{kg} × 9,81 \;\ text{m/s}^2 \\ &= 294 \;\text{N} \end{aligned}
Vous pouvez voir que la force due au frottement de roulement semble importante dans ce cas, cependant compte tenu de la masse de la voiture, et en utilisant la deuxième loi de Newton, cela ne revient qu'à une décélération de 0,196 m/s2. je
Si cette même voiture roulait sur une route avec une pente ascendante de 10 degrés, vous deviez utiliserFm = mgcos (θ), et le résultat changerait :
\begin{aligned} F_{k, r} &= μ_{k, r}F_n \\ &= μ_{k, r} mg \cos(\theta)\\ &= 0,02 × 1500 \;\text{kg } × 9,81 \;\text{m/s}^2 × \cos (10°)\\ &= 289,5 \;\text{N} \end{aligned}
Parce que la force normale est réduite en raison de l'inclinaison, la force de frottement diminue du même facteur.
Vous pouvez également calculer le coefficient de frottement de roulement si vous connaissez la force de frottement de roulement et la taille de la force normale, en utilisant la formule réorganisée suivante :
μ_{k, r} = \frac{F_{k, r}}{F_n}
Imaginer un pneu de vélo roulant sur une surface de béton horizontale avecFm = 762 N etFk, r = 1,52 N, le coefficient de frottement de roulement est :
\begin{aligned} μ_{k, r} &= \frac{F_{k, r}}{F_n} \\ &=\frac{1.52 \;\text{N}}{762 \;\text{N }} \\ &= 0,002 \end{aligné}