Frottement

En physique, le frottement (ou friction) est une interaction qui s'oppose au mouvement relatif entre deux systèmes en contact. Le frottement peut être étudié au même titre que les autres types de force ou de couple. Son action est caractérisée par une norme et une orientation, ce qui en fait un vecteur. L'orientation de la force (ou du couple) de frottement créé sur un corps est opposée au déplacement de ce corps^[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.

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

On distingue deux principaux types de frottements:

Frottement sec

Le frottement

\vec{F}

s'oppose au mouvement relatif entre les deux corps.

Le frottement sec est indépendant de la vitesse de glissement. Il se décompose en deux situations issues de la loi de Coulomb.

Frottement sec statique

Le frottement statique est une force (ou un couple) qui tend à garder un corps en état statique.

Lorsqu'une force est appliquée sur un objet reposant sur une surface (considérée comme immobile), la composante de cette force qui est parallèle à la surface est compensée par une force de frottement statique opposée, qui maintient l'objet immobile pour autant que la composante parallèle de la force appliquée ne dépasse pas une valeur maximale^[4]. L'observation expérimentale montre que, en première approximation, cette valeur maximale ne dépend que du poids apparent du corps et d'un coefficient de frottement statique, mais pas de l'aire de contact. Le coefficient de frottement statique, lui, dépend de la nature des surfaces en contact.

Mathématiquement, le frottement statique $\vec{f_s}$ est opposé à la composante tangentielle $\vec{f}_\text{tangentielle}$ de la force appliquée, et son intensité est inférieure ou égale au coefficient de frottement statique $\mu_s$ multiplié par le poids apparent $N$ :

\vec{f_s} \parallel -\vec{f}_\text{tangentielle}

Dès que la force tangentielle dépasse la valeur maximale du frottement statique, l'objet se met à glisser, entraîné par la force appliquée.

\left\vert f_s \right\vert \le \mu_s N

Le même raisonnement peut se transposer dans la cas de couple de frottement.

Frottement sec cinétique (ou dynamique)

Lorsqu'un objet glisse sur une surface, la force de frottement est appelée frottement cinétique. Ce frottement tend à ralentir l'objet. L'observation expérimentale montre que, en première approximation, l'intensité du frottement cinétique varie en fonction du poids apparent de l'objet et du coefficient de frottement cinétique, mais pas de l'aire de contact ni de la vitesse. Le coefficient de frottement cinétique, tout comme le coefficient de frottement statique, varie selon le type de matériaux en contact.

Mathématiquement, le frottement cinétique $\vec{f}_c$ n'est plus nécessairement opposé à la composante tangentielle de la force appliquée (qui peut d'ailleurs devenir nulle), mais est opposé à la vitesse de l'objet, et son intensité est égale au coefficient de frottement cinétique $\mu_c$ multiplié par le poids apparent $N$ ^[4].

\vec{f_c} \parallel -\vec{v}

\left\vert f_c \right\vert = \mu_c N

Le même raisonnement peut se transposer dans le cas de couple de frottement.

Frottement visqueux

Un frottement visqueux est une force (ou un couple) de frottement qui dépend de la vitesse relative des deux corps en mouvement. Il s'exprime différemment selon qu'il s'agisse du contact entre deux solides lubrifiés ou du déplacement d'un corps dans un milieu fluide.

Frottement visqueux de lubrification

Étant données deux surfaces séparées par un liquide visqueux, le frottement suit une loi de Stribeck

Courbe de Stribeck

Frottement aérodynamique ou traînée

La traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un liquide ou un gaz

Aire de contact réelle

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].

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

↑ Champagne 2009, p. 183
↑ Benson 2009, p. 157
1 2 Benson 2009, p. 158
1 2 Benson 2009, p. 159

Annexes

Bibliographie

: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

Marielle Champagne, Option science Physique La mécanique, Édition du Renouveau Pédagogique,‎ 2009, 330 p.
Harris Benson (trad. Marc Séguin, Benoît Villeneuve, Bernard Marcheterre et Richard Gagnon), Physique 1 Mécanique, Édition du Renouveau Pédagogique,‎ 2009, 4^e éd., 465 p.

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