Frottement


Frottement

En physique, le frottement (ou friction) est une interaction qui s'oppose à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact. Le frottement peut être étudié au même titre que les autres types de force. Son action est caractérisée par une norme et une orientation, ce qui en fait un vecteur. L'orientation de la force de frottement agit en sens inverse du déplacement du corps qui subit une autre force[1]. La science qui étudie le frottement entre solides est la tribologie.

La tribologie est complexe par le fait que le frottement n'est pas dû à une interaction élémentaire, mais résulte de causes diverses, principalement des forces électromagnétiques et de l'interaction d'échange entre les atomes des surfaces en contact. Ces mêmes forces sont également en jeu dans l'adhérence, qui s'oppose à la création d'un mouvement, qui pour cette raison peut être étudiée conjointement.

Le frottement se distingue du frottement visqueux, qui étudie la résistance d'un milieu au mouvement d'un corps.

Sommaire

Historique

L'omniprésence des frottements a longtemps conduit à ce qu'ils ne soient pas considérés comme des interactions mais comme des caractéristiques fondamentales de la nature. Ainsi, dans la physique aristotélicienne, on considérait que les objets ne pouvaient maintenir leur mouvement que si une force continuait à s'exercer sur eux. L'observation des mouvements astronomiques, pour lesquels l'influence des frottements est négligeable, amène à la remise en cause de cette physique et à l'établissement de la mécanique newtonienne.

Précurseur de l'étude du frottement, Léonard de Vinci en étudie les principes et élabore, en 1508, deux énoncés.

Le premier stipule que la force de frottement est proportionnelle à la charge, la charge signifiant ici la force qui comprime l'une contre l'autre les deux surfaces. Le second énoncé mentionne que la force de frottement est indépendante de l'aire de contact[2].

En 1699, Guillaume Amontons tire les mêmes conclusions que de Vinci et fait une troisième découverte : le frottement ne dépend pas de la vitesse[3].

Caractéristiques physiques

Aire de contact

Les irrégularités des surfaces sont à la source du frottement.

Dans l'étude du frottement, il importe de distinguer l'aire réelle de contact de l'aire apparente de contact. Ainsi, même les objets polis, qui semblent parfaitement lisses, présentent de minimes irrégularités. Les plus haut points de ces irrégularités, les aspérités, représentent souvent une très faible proportion de la surface totale. C'est cette petite partie, appelée aire de contact réelle, qui est véritablement en contact avec une autre surface et qui cause le frottement, et non l'aire totale de la face du corps, soit l'aire de contact apparente[3].

Vitesse

En première approximation, la vitesse à laquelle deux surfaces frottent l'une sur l'autre n’influence pas l'intensité de la force de friction qui s'oppose à leur mouvement relatif.

Frottement statique

Le frottement \vec{F} s'oppose au mouvement relatif entre les deux corps.

Le frottement statique est une force qui tend à garder un corps en état statique. Elle dépend du poids apparent du corps et du coefficient de frottement statique, évalué en fonction de la nature des surfaces en contact.

Lorsqu'une force est appliquée sur un objet au repos, la composante parallèle à la surface de la force est compensée par la force de frottement statique jusqu'à la valeur maximale de cette dernière[4].

Mathématiquement, le frottement statique fs est plus petit ou égal au coefficient de frottement statique μs multiplié par le poids apparent \N :

f_s \le \mu_s \N

Frottement cinétique

Le frottement cinétique survient lorsque deux surfaces glissent l'une contre l'autre[5]. L'importance du frottement cinétique varie en fonction du coefficient de frottement cinétique qui, tout comme le coefficient de frottement statique, varie selon le type de matériaux en contact, et le poids apparent du corps en mouvement.

Mathématiquement, le frottement cinétique fc est égal au coefficient de frottement cinétique μc multiplié par le poids apparent \N[4].

f_c = \mu_c \N

Exemples

Les frottements interviennent dans la grande majorité des phénomènes physiques de la vie courante. Ils sont parfois exploités (par exemple pour le freinage, le sciage, le polissage, le lavage, etc.), mais ils ont également des conséquences fâcheuses (usure, perte d'énergie et de rendement, échauffement, etc.) pour les êtres vivants et de nombreuses applications technologiques et économiques.

Notes et références

  1. Champagne 2009, p. 183
  2. Benson 2009, p. 157
  3. a et b Benson 2009, p. 158
  4. a et b Benson 2009, p. 159
  5. Champagne 2009, p. 185

Annexes

Articles connexes

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Bibliographie

Ouvrage utilisé pour la rédaction de l'article : Ouvrage utilisé comme source pour la rédaction de cet article

  • Ouvrage utilisé pour la rédaction de l'articleMarielle Champagne, Option science Physique La mécanique, Édition du Renouveau Pédagogique, 2009, 330 p. 
  • Ouvrage utilisé pour la rédaction de l'articleHarris Benson (trad. Marc Séguin, Benoît Villeneuve, Bernard Marcheterre et Richard Gagnon), Physique 1 Mécanique, Édition du Renouveau Pédagogique, 2009, 4e éd., 465 p. 

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