1. Définition de la force de frottement
Le frottement est une force de frottement qui s'exerce entre les surfaces d'objets en contact. Dans ce chapitre, la force de frottement étudiée est celle qui agit entre deux surfaces solides en contact. On peut citer comme exemples le frottement entre la base d'une poutre et le sol, le frottement entre la semelle d'une chaussure et le sol, ou encore le frottement entre les roues d'une voiture et la chaussée.
La force de frottement s'exerce toujours à la surface des objets solides en contact, même si ces objets sont parfaitement lisses. En réalité, à l'échelle microscopique, même les surfaces lisses présentent une rugosité importante. Lorsqu'un objet se déplace, ces aspérités microscopiques entravent son mouvement. À l'échelle atomique, une protubérance à la surface rapproche les atomes de ces surfaces, permettant ainsi aux forces électriques interatomiques de former des liaisons chimiques, assurant la cohésion entre deux surfaces d'un objet en mouvement. Lorsqu'un objet se déplace, par exemple lorsqu'on pousse un livre sur une table, son mouvement rencontre des obstacles et finit par s'arrêter. Ce phénomène est dû à la formation et à la rupture de ces liaisons.
Lorsqu'une surface frotte contre la surface d'un autre objet, un frottement s'exerce entre ces deux objets. La force de frottement sur l'objet en mouvement est toujours opposée à son sens de déplacement. Outre le fait de freiner le mouvement des objets, le frottement peut engendrer usure et dommages. On peut l'observer sur le moteur d'un véhicule. Par exemple, lorsqu'on lubrifie un moteur de moto, on cherche en réalité à réduire les frottements internes. Sans lubrification, le moteur s'userait rapidement. Cet exemple illustre les pertes causées par le frottement.
2. Types de forces de frottement
Il existe deux types de forces de frottement : le frottement statique (f<sub> s</sub> ) et le frottement cinétique (f<sub> k</sub> ). Le frottement statique s'exerce lorsque l'objet est immobile, tandis que le frottement cinétique s'exerce lorsqu'il est en mouvement. Si vous poussez une table immobile, la force de frottement qui s'exerce sur elle est le frottement statique. En revanche, lorsque la table est en mouvement, la force de frottement qui s'exerce sur elle est le frottement cinétique. Si vous ne poussez pas constamment la table en mouvement, elle finira par s'arrêter. Cet arrêt est dû au frottement cinétique qui bloque le mouvement de la table.
Vous est-il déjà arrivé de glisser sur une surface lisse ? Lorsque vous glissez, la force de frottement qui s'exerce entre la semelle de votre chaussure ou de votre sandale et la surface lisse est une force de frottement cinétique. Ce phénomène est similaire à celui d'une moto ou d'une voiture qui roule sur une route mouillée et lisse et qui freine jusqu'à ce que les roues patinent. Lorsque les roues patinent, la force de frottement qui s'exerce entre la surface de la roue et la chaussée est une force de frottement cinétique. À l'inverse, lorsque vous marchez, la force de frottement qui s'exerce entre la semelle de votre chaussure ou de vos sandales et le sol est une force de frottement statique. De même, lorsque les roues ne patinent pas, la force de frottement qui s'exerce entre la surface de la roue et la chaussée est une force de frottement statique.
2.1 Force de frottement statique
La force de frottement statique est la force de frottement qui s'exerce sur la surface d'objets en contact lorsque ces objets ne se sont pas encore mis en mouvement.
La figure 1 montre un objet immobile sur une surface plane. Si l'objet n'a pas encore bougé, la force de frottement statique (fs) est inférieure à la force de traction (F). Si l'on continue à tirer sur l'objet, celui-ci se déplacera. Lorsque l'objet se déplacera, l'intensité de la force de frottement statique (f) diminuera.s) est égale à l'amplitude de la force de traction (F).
La première loi de Newton stipule que les objets sont au repos si la force totale (force résultante) est nulle.
ΣF y = 0 (L'objet est immobile et ne se déplace pas verticalement)
N – w = 0
N = w (1.2)
Remplacez N dans l'équation 1.1 par N dans l'équation 1.2
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = frottement statique (N), μs = coefficient de frottement statique, N = force normale (N), w = gravité (N), m = masse (kg), g = accélération de la gravité (m/ s² )
Pour déterminer le coefficient de frottement statique, utilisez l'équation 1.1 b.
Σf x = 0 (L'objet est immobile et ne se déplace pas horizontalement)
F – f s = 0
F = f s (1.4)
Lorsque l'objet commence à bouger, la force de frottement statique maximale est égale à l'intensité de la force de poussée ou de traction.
2.2 Force de frottement cinétique
La force de frottement cinétique est la force de frottement qui s'exerce sur la surface des objets qui se touchent lorsqu'un objet est en mouvement.
Pour déterminer le coefficient de frottement cinétique (μ <sub>k</sub> ), utilisez l'équation 1.5 b.
La figure 2 montre un objet tiré régulièrement de manière à ce qu'il se déplace à vitesse constante. À vitesse constante, l'intensité de la force de frottement cinétique (fk) est égale à l'intensité de la force de traction (F).
La première loi de Newton stipule qu'un objet se déplace à vitesse constante si la force totale (force résultante) est nulle.
ΣF x = 0 (les objets se déplacent à vitesse constante dans la direction horizontale)
F – f k = 0
F = f k (1.6)
Exemple de problème 1 :
Un élève tire sur une poutre de 1 kg posée sur une table à l'aide d'un dynamomètre (appareil de mesure de force). Lorsque la poutre se déplace, le dynamomètre indique une force de 2 N. Si l'accélération de la pesanteur est de 10 m/s² , déterminez : a) l'intensité de la force de frottement statique ; b) le coefficient de frottement statique.
Solution:
Données : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) f s
Lorsque la poutre se déplacera, l'intensité de la force de frottement statique sera égale à l'intensité de la force de traction (voir l'équation 1.4). Donc, f<sub> s</sub> = F = 2 N.
(b) μ s
f s = μ s w
2 N = (μ s )(10 N)
μ s = 2 N / 10 N = 0.2
Exemple de problème 2 :
Une poutre de 1 kg, placée au-dessus d'une table, est tirée régulièrement de manière à se déplacer à vitesse constante. Lorsque la poutre atteint cette vitesse, le dynamomètre indique une force de 1 N. Si l'accélération de la pesanteur est de 10 m/s² , déterminer : a) l'intensité de la force de frottement cinétique ; b) le coefficient de frottement cinétique.
Solution:
Données : m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Lorsque la poutre se déplace régulièrement ou à une vitesse constante, l'amplitude de la force de frottement cinétique = l'amplitude de la force de traction (comparer l'équation 1.6).
Donc f k = F = 1 N
(b) μ k
f k = μ k w
1 N = (μ k )(10 N)
μ k = 1 N / 10 N = 0.1
