Le frottement statique est une force qui doit êtresurmonterpour que quelque chose démarre. Par exemple, quelqu'un peut pousser sur un objet fixe comme un canapé lourd sans qu'il bouge. Mais s'ils poussent plus fort ou s'ils demandent l'aide d'un ami fort, cela surmontera la force de friction et se déplacera.
Pendant que le canapé est immobile, lela force de frottement statique équilibre la force appliquée de la poussée. Par conséquent,la force de frottement statique augmente de façon linéaire avec la force appliquée agissant dans la direction opposée, jusqu'à ce qu'il atteigne une valeur maximale et que l'objet commence juste à se déplacer. Après cela, l'objet ne subit plus de résistance par frottement statique, mais par frottement cinétique.
La friction statique est généralement une force de friction plus importante que la friction cinétique - il est plus difficile de commencer à pousser un canapé sur le sol que de le maintenir.
Coefficient de frottement statique
Le frottement statique résulte des interactions moléculaires entre l'objet et la surface sur laquelle il se trouve. Ainsi, différentes surfaces fournissent différentes quantités de frottement statique.
Le coefficient de frottement qui décrit cette différence de frottement statique pour différentes surfaces estμs.Elle peut être trouvée dans un tableau, comme celui lié à cet article, ou calculée expérimentalement.
Équation pour le frottement statique
Où:
- Fs= force de frottement statique en newtons (N)
- μs = coefficient de frottement statique (pas d'unités)
- FN = force normale entre les surfaces en newtons (N)
Le frottement statique maximal est atteint lorsque l'inégalité devient une égalité, auquel point une force de frottement différente prend le relais lorsque l'objet commence à se déplacer. (La force de frottement cinétique, ou de glissement, a un coefficient différent qui lui est associé appelé coefficient de frottement cinétique et notéμk .)
Exemple de calcul avec frottement statique
Un enfant essaie de pousser horizontalement une boîte en caoutchouc de 10 kg sur un sol en caoutchouc. Le coefficient de frottement statique est de 1,16. Quelle est la force maximale que l'enfant peut utilisersans pour autantla boîte bouge du tout ?
[insérer un diagramme de corps libre montrant les forces appliquées, de frottement, gravitationnelles et normales sur la boîte de repos]
Tout d'abord, notez que la force nette est 0 et trouvez la force normale de la surface sur la boîte. Puisque la boîte ne bouge pas, cette force doit être égale en amplitude à la force gravitationnelle agissant dans la direction opposée. Rappeler queFg = mgoùFgest la force de gravité,mest la masse de l'objet etgest l'accélération due à la gravité sur Terre.
Donc:
F_N=F_g=10\fois 9.8 = 98\text{ N}
Ensuite, résolvez pour Fs avec l'équation ci-dessus :
F_s=\mu_s\times F_N=1.16\times 98 = 113.68\text{ N}
Il s'agit de la force de friction statique maximale qui s'opposera au mouvement de la boîte. Par conséquent, c'est aussi la force maximale que l'enfant peut appliquer sans que la boîte ne bouge.
Notez que, tant que l'enfant applique une forceinférieur à la valeur maximale du frottement statique, la boîte ne bouge toujours pas !
Frottement statique sur les plans inclinés
Le frottement statique ne s'oppose pas seulement aux forces appliquées. Il empêche les objets de glisser le long des collines ou d'autres surfaces inclinées, résistant à l'attraction de la gravité.
Sur un angle, la même équation s'applique mais la trigonométrie est nécessaire pour résoudre les vecteurs de force en leurs composantes horizontales et verticales.
Considérons un livre de 2 kg posé sur un plan incliné à 20 degrés. Pour que le livre reste immobile, leles forces parallèles au plan incliné doivent être équilibrées. Comme le montre le diagramme, la force de frottement statique est parallèle au plan dans le sens ascendant; la force opposée vers le bas provient de la gravité - dans ce cas cependant,seule la composante horizontale de la force gravitationnelleéquilibre le frottement statique.
En dessinant un triangle rectangle à partir de la force de gravité afin de résoudre ses composants, et en faisant un peu de géométrie pour trouver que l'angle dans ce triangle est égal à l'angle d'inclinaison du plan, lescomposante horizontale de la force gravitationnelle(la composante parallèle au plan) est alors :
F_{g, x}=mg\sin{\theta}=2\times 9.8\times\sin{20}=6.7\text{ N}
Celle-ci doit être égale à la force de frottement statique qui maintient le livre en place.
Une autre valeur que l'on peut trouver dans cette analyse est le coefficient de frottement statique. La force normale estperpendiculaireà la surface sur laquelle repose le livre. Cette force doit donc êtreéquilibré avec la composante verticalede la force de gravité :
F_{g, y}=mg\cos{\theta}=2\times 9.8\times\cos{20}=18.4\text{ N}
Ensuite, en réarrangeant l'équation du frottement statique :
\mu_s=\frac{F_s}{F_N}=\frac{6.7}{18.4}=0.364
