Le frottement de glissement, plus communément appelé frottement cinétique, est une force qui s'oppose au mouvement de glissement de deux surfaces se déplaçant l'une devant l'autre. En revanche, le frottement statique est un type de force de frottement entre deux surfaces qui se poussent l'une contre l'autre, mais ne glissent pas l'une par rapport à l'autre. (Imaginez que vous poussez sur une chaise avant qu'elle ne commence à glisser sur le sol. La force que vous appliquez avant le début du glissement s'oppose au frottement statique.)
Le frottement de glissement implique généralement moins de résistance que le frottement statique, c'est pourquoi vous devez souvent pousser plus fort pour qu'un objet commence à glisser que pour le faire glisser. L'amplitude de la force de frottement est directement proportionnelle à l'amplitude de la force normale. 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 coefficient de frottement, et elle varie en fonction des surfaces en contact. (Les valeurs de ce coefficient sont généralement recherchées dans des tableaux.) Le coefficient de frottement est généralement représenté par la lettre grecque
μavec un indicekindiquant le frottement cinétique. La formule de la force de frottement est donnée par :F_f=\mu_kF_N
OùFNest l'amplitude de la force normale, les unités sont en newtons (N) et la direction de cette force est opposée à la direction du mouvement.
Définition du frottement de roulement
La résistance au roulement est parfois appelée friction de roulement, bien qu'il ne s'agisse pas exactement d'une force de friction car elle ne résulte pas de deux surfaces en contact essayant de se pousser l'une contre l'autre. C'est une force résistive résultant de la perte d'énergie due aux déformations de l'objet roulant et de la surface.
Tout comme pour les forces de frottement, cependant, l'amplitude de la force de résistance au roulement est directement proportionnelle à l'amplitude de la force normale, avec une constante de proportionnalité qui dépend des surfaces en contact. Pendant queμrest parfois utilisé pour le coefficient, il est plus fréquent de voirCrr, faisant de l'équation de l'amplitude de la résistance au roulement la suivante :
F_r=C_{rr}F_N
Cette force agit à l'opposé du sens du mouvement.
Exemples de frottement de glissement et de résistance au roulement
Considérons un exemple de friction impliquant un chariot de dynamique trouvé dans une classe de physique typique et comparons l'accélération avec laquelle il descend une piste métallique inclinée à 20 degrés pour trois scénarios :
Scénario 1:Il n'y a aucune friction ou force de résistance agissant sur le chariot car il roule librement sans glisser sur la piste.
Tout d'abord, nous dessinons le diagramme du corps libre. La force de gravité dirigée vers le bas et la force normale dirigée perpendiculairement à la surface sont les seules forces agissant.
Les équations de la force nette sont :
F_{netx}=F_g\sin{\theta}=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0
Tout de suite, nous pouvons résoudre la première équation d'accélération et insérer des valeurs pour obtenir la réponse :
F_g\sin{\theta}=ma\\ \implies mg\sin(\theta)=ma\\ \implies a=g\sin(\theta)=9.8\sin (20)=\boxed{3.35\text{ m/s}^2}
Scénario 2 :La résistance au roulement agit sur le chariot car il roule librement sans glisser sur la piste.
Ici, nous supposerons un coefficient de résistance au roulement de 0,0065, qui est basé sur un exemple trouvé dans un papier de l'Académie navale des États-Unis.
Maintenant, notre diagramme de corps libre inclut la résistance au roulement agissant sur la piste. Nos équations de force nette deviennent :
F_{netx}=F_g\sin{\theta}-F_r=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0
A partir de la deuxième équation, on peut résoudre pourFN, insérez le résultat dans l'expression du frottement dans la première équation et résolvez pourune:
F_N-F_g\cos(\theta)=0\implique F_N=F_g\cos(\theta)\\ F_g\sin(\theta)-C_{rr}F_N=F_g\sin(\theta)-C_{rr} F_g\cos(\theta)=ma\\ \implies \cancel mg\sin(\theta)-C_{rr}\cancel mg\cos(\theta)=\cancel ma\\ \implies a=g(\sin(\theta)-C_{rr}\cos(\theta) )=9.8(\sin (20)-0.0065\cos (20))\\ =\boxed{3.29 \text{m/s}^2}
Scénario 3 :Les roues du chariot sont verrouillées en place et il glisse sur la piste, entravé par le frottement cinétique.
Ici, nous utiliserons un coefficient de frottement cinétique de 0,2, qui se situe au milieu de la plage de valeurs généralement répertoriée pour le plastique sur métal.
Notre diagramme de corps libre ressemble beaucoup au cas de la résistance au roulement, sauf qu'il s'agit d'une force de friction de glissement agissant sur la rampe. Nos équations de force nette deviennent :
F_{netx}=F_g\sin{\theta}-F_k=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0
Et encore une fois nous résolvons pouruned'une manière similaire:
F_N-F_g\cos(\theta)=0\implique F_N=F_g\cos(\theta)\\ F_g\sin(\theta)-\mu_kF_N=F_g\sin(\theta)-\mu_kF_g\cos(\theta )=ma\\ \implique \annuler mg\sin(\theta)-\mu_k\cancel mg\cos(\theta)=\cancel ma\\ \implies a=g(\sin(\theta)-\mu_k\cos(\theta))=9.8( \sin (20)-0.2\cos (20))\\ =\boxed{1.51 \text{m/s}^2}
A noter que l'accélération avec résistance au roulement est très proche du cas sans frottement, alors que le cas de frottement glissant est significativement différent. C'est pourquoi la résistance au roulement est négligée dans la plupart des situations et pourquoi la roue était une invention géniale !