La plupart des objets ne sont pas vraiment aussi lisses que vous le pensez. Au niveau microscopique, même les surfaces apparemment lisses sont en réalité un paysage de collines et de vallées minuscules, trop petites pour vraiment voir mais faire une énorme différence lorsqu'il s'agit de calculer le mouvement relatif entre deux contacts superficies.
Ces minuscules imperfections dans les surfaces s'imbriquent, donnant lieu à la force de frottement, qui agit dans la direction opposée à tout mouvement et doit être calculé pour déterminer la force nette sur l'objet.
Il existe différents types de friction, maisfrottement cinétiqueest autrement connu sous le nomfrottement de glissement, tandis quefrottement statiqueaffecte l'objetavant queil commence à bouger etfrottement de roulementconcerne spécifiquement les objets roulants comme les roues.
Apprendre ce que signifie le frottement cinétique, comment trouver le coefficient de frottement approprié et comment calculer il vous dit tout ce que vous devez savoir pour résoudre des problèmes de physique impliquant la force de friction.
Définition du frottement cinétique
La définition la plus simple du frottement cinétique est: la résistance au mouvement provoquée par le contact entre une surface et l'objet se déplaçant contre elle. La force de friction cinétique agit surs'opposerle mouvement de l'objet, donc si vous poussez quelque chose vers l'avant, la friction le pousse vers l'arrière.
La force de fiction cinétique ne s'applique qu'à un objet en mouvement (d'où « cinétique »), et est également connue sous le nom de frottement de glissement. Il s'agit de la force qui s'oppose au mouvement de glissement (poussant une boîte sur le plancher), et il existe descoefficients de frottementpour cela et d'autres types de frottement (comme le frottement de roulement).
L'autre type majeur de friction entre les solides est la friction statique, et c'est la résistance au mouvement causée par la friction entre unencoreobjet et une surface. lecoefficient de frottement statiqueest généralement plus grand que le coefficient de frottement cinétique, indiquant que la force de frottement est plus faible pour les objets qui sont déjà en mouvement.
Équation pour le frottement cinétique
La force de frottement est mieux définie à l'aide d'une équation. La force de frottement dépend du coefficient de frottement pour le type de frottement considéré et de l'amplitude de la force normale que la surface exerce sur l'objet. Pour le frottement de glissement, la force de frottement est donnée par :
F_k = μ_k F_n
OùFk est la force de frottement cinétique,μk est le coefficient de frottement de glissement (ou frottement cinétique) etFm est la force normale, égale au poids de l'objet si le problème implique une surface horizontale et qu'aucune autre force verticale n'agit (c'est-à-dire,Fm = mg, oùmest la masse de l'objet etgest l'accélération due à la pesanteur). Le frottement étant une force, l'unité de la force de frottement est le newton (N). Le coefficient de frottement cinétique est sans unité.
L'équation du frottement statique est fondamentalement la même, sauf que le coefficient de frottement de glissement est remplacé par le coefficient de frottement statique (μs). C'est vraiment mieux considéré comme une valeur maximale car elle augmente jusqu'à un certain point, puis si vous appliquez plus de force sur l'objet, il commencera à bouger :
F_s \leq _s F_n
Calculs avec friction cinétique
Le calcul de la force de friction cinétique est simple sur une surface horizontale, mais un peu plus difficile sur une surface inclinée. Par exemple, prenons un bloc de verre avec une masse dem= 2 kg, poussé sur une surface vitrée horizontale,𝜇k = 0,4. Vous pouvez calculer facilement la force de frottement cinétique en utilisant la relationFm = mget en notant queg= 9,81 m/s2:
\begin{aligned} F_k &= μ_k F_n \\ &= μ_k mg \\ &= 0,4 × 2 \;\text{kg} × 9,81 \;\text{m/s}^2 \\ &= 7,85 \; \text{N} \end{aligné}
Imaginez maintenant la même situation, sauf que la surface est inclinée à 20 degrés par rapport à l'horizontale. La force normale dépend de la composante dupoidsde l'objet dirigé perpendiculairement à la surface, qui est donné parmgcos (θ), oùθest l'angle d'inclinaison. Noter quemgpéché (θ) vous indique la force de gravité qui le tire vers le bas de la pente.
Avec le bloc en mouvement, cela donne :
\begin{aligné} F_k &= μ_k F_n \\ &= μ_k mg \; \cos (θ) \\ &= 0,4 × 2 \;\text{kg} × 9,81 \;\text{m/s}^2 × \cos (20°)\\ &= 7,37 \;\text{N } \end{aligné}
Vous pouvez également calculer le coefficient de frottement statique avec une expérience simple. Imaginez que vous essayez de commencer à pousser ou à tirer un bloc de bois de 5 kg sur du béton. Si vous enregistrez la force appliquée au moment précis où la boîte commence à bouger, vous pouvez réorganiser l'équation de frottement statique pour trouver le coefficient de frottement approprié pour le bois et la pierre. S'il faut 30 N de force pour déplacer le bloc, alors le maximum pourFs = 30N, donc :
F_s = μ_s F_n
Se réorganise pour :
\begin{aligned} μ_s &= \frac{F_s}{F_n} \\ &= \frac{F_s}{mg} \\ &= \frac{30 \;\text{N}}{5 \;\text {kg}×9.81 \;\text{m/s}^2} \\ &= \frac{30 \;\text{N}}{49.05 \;\text{N}} \\ &= 0.61 \end {aligné}
Le coefficient est donc d'environ 0,61.