- Types de friction
- -Coulomb frottement
- Les lois de la friction de Coulomb
- -Fluide de friction
- -Stokes friction
- Coefficients de frottement
- Coefficient de frottement statique
- Coefficient de frottement cinétique
- Coefficient de frottement élastique
- Coefficient de friction moléculaire
- Comment le frottement est-il calculé?
- Caractéristiques de la normale
- Exercices résolus
- -Force de friction d'un objet reposant sur une surface horizontale
- -Force de friction d'un objet sous l'action d'une force avec un angle d'inclinaison
- Force normale
- -Friction dans un véhicule en mouvement
- Section b
- Section c
Le frottement est la résistance au mouvement d'une surface en contact avec une autre. C'est un phénomène de surface qui se produit entre les matériaux solides, liquides et gazeux. La force de résistance tangentielle à deux surfaces en contact, qui s'oppose à la direction du déplacement relatif entre lesdites surfaces, est également appelée force de frottement ou force de frottement F r.
Pour déplacer un corps solide sur une surface, une force externe doit être appliquée qui peut surmonter le frottement. Lorsque le corps bouge, la force de friction agit sur le corps, le ralentit et peut même l'arrêter.
Friction
La force de frottement peut être représentée graphiquement par le diagramme de force d'un corps en contact avec une surface. Dans ce diagramme, la force de frottement F r est dessinée en opposition à la composante de la force appliquée sur le corps tangentielle à la surface.
La surface de contact exerce une force de réaction sur le corps appelée force normale N. Dans certains cas, la force normale est due uniquement au poids P du corps reposant sur la surface, et dans d'autres cas, elle est due à des forces appliquées autres que la force de gravité.
Le frottement se produit parce qu'il existe des rugosités microscopiques entre les surfaces en contact. Lorsque vous essayez de déplacer une surface sur l'autre, un frottement se produit entre les rugosités qui empêchent le libre mouvement à l'interface. À leur tour, les pertes d'énergie se produisent sous forme de chaleur qui n'est pas utilisée pour déplacer le corps.
Types de friction
Il existe deux principaux types de frottement: le frottement coulombien ou frottement sec et le frottement fluide.
-Coulomb frottement
Le frottement de Coulomb s'oppose toujours au mouvement des corps et se subdivise en deux types de frottement: le frottement statique et le frottement cinétique (ou dynamique).
En friction statique, il n'y a pas de mouvement du corps sur la surface. La force appliquée est très faible et insuffisante pour vaincre la force de friction. Le frottement a une valeur maximale proportionnelle à la force normale et est appelée force de frottement statique F re.
La force de frottement statique est définie comme la force maximale qui résiste au début du mouvement du corps. Lorsque la force appliquée dépasse la force de frottement statique, elle reste à sa valeur maximale.
Le frottement cinétique agit lorsque le corps est déjà en mouvement. La force nécessaire pour maintenir le corps en mouvement avec frottement est appelée force de frottement cinétique F rc.
La force de frottement cinétique est inférieure ou égale à la force de frottement statique car une fois que le corps commence à bouger, il est plus facile de continuer à bouger que d'essayer de le faire au repos.
Les lois de la friction de Coulomb
- La force de frottement est directement proportionnelle à la force normale à la surface de contact. La constante de proportionnalité est le coefficient de frottement μ qui existe entre les surfaces en contact.
- La force de frottement est indépendante de la taille de la zone de contact apparente entre les surfaces.
- La force de frottement cinétique est indépendante de la vitesse de glissement du corps.
-Fluide de friction
Le frottement se produit également lorsque les corps se déplacent au contact de matériaux liquides ou gazeux. Ce type de frottement est appelé frottement fluide et se définit comme la résistance au mouvement des corps en contact avec un fluide.
Le frottement de fluide fait également référence à la résistance d'un fluide à s'écouler en contact avec des couches de fluide du même matériau ou d'un matériau différent, et dépend de la vitesse et de la viscosité du fluide. La viscosité est la mesure de la résistance au mouvement d'un fluide.
-Stokes friction
Le frottement de Stokes est un type de frottement fluide dans lequel des particules sphériques immergées dans un fluide visqueux, en flux laminaire, subissent une force de frottement qui ralentit leur mouvement en raison des fluctuations des molécules du fluide.
Frottement de Stokes
L'écoulement est laminaire lorsque les forces visqueuses, qui s'opposent au mouvement du fluide, sont supérieures aux forces d'inertie et que le fluide se déplace avec une vitesse suffisamment faible et selon un trajet rectiligne.
Coefficients de frottement
Selon la première loi de frottement de Coulomb, le coefficient de frottement μ est obtenu à partir de la relation entre la force de frottement et la force normale à la surface de contact.
Le coefficient μ est une grandeur sans dimension, car il s'agit d'une relation entre deux forces, qui dépend de la nature et du traitement des matériaux en contact. Généralement, la valeur du coefficient de frottement est comprise entre 0 et 1.
Coefficient de frottement statique
Le coefficient de frottement statique est la constante de proportionnalité qui existe entre la force qui empêche le mouvement d'un corps en état de repos sur une surface de contact et la force normale à la surface.
Coefficient de frottement cinétique
Le coefficient de frottement cinétique est la constante de proportionnalité qui existe entre la force qui restreint le mouvement d'un corps se déplaçant sur une surface et la force normale à la surface.
Le coefficient de frottement statique est supérieur au coefficient de frottement cinétique.
Coefficient de frottement élastique
Le coefficient de frottement élastique est dérivé du frottement entre les surfaces de contact de matériaux élastiques, mous ou rugueux qui sont déformés par les forces appliquées. Le frottement s'oppose au mouvement relatif entre deux surfaces élastiques et le déplacement s'accompagne d'une déformation élastique des couches superficielles du matériau.
Le coefficient de frottement obtenu dans ces conditions dépend du degré de rugosité de surface, des propriétés physiques des matériaux en contact et de l'amplitude de la composante tangentielle de l'effort tranchant à l'interface des matériaux.
Coefficient de friction moléculaire
Le coefficient moléculaire de frottement est obtenu à partir de la force qui restreint le mouvement d'une particule qui glisse sur une surface lisse ou à travers un fluide.
Comment le frottement est-il calculé?
La force de frottement sur les interfaces solides est calculée à l'aide de l'équation F r = μN
La substitution de l'équation de poids dans l'équation de la force de frottement donne:
Caractéristiques de la normale
Lorsqu'un objet est au repos sur une surface plane, la force normale est celle exercée par la surface sur le corps, et elle s'oppose à la force due à la gravité, selon la loi d'action et de réaction de Newton.
La force normale agit toujours perpendiculairement à la surface. Sur une surface inclinée, la normale diminue à mesure que l'angle d'inclinaison augmente et pointe dans une direction perpendiculaire loin de la surface, tandis que le poids pointe verticalement vers le bas. L'équation de la force normale sur une surface inclinée est:
θ = angle d'inclinaison de la surface de contact.
Frottement plan incliné
La composante de la force agissant sur le corps pour le faire glisser est:
Lorsque la force appliquée augmente, elle s'approche de la valeur maximale de la force de frottement, cette valeur est celle correspondant à la force de frottement statique. Lorsque F = F re, la force de frottement statique est:
Et le coefficient de frottement statique est obtenu par la tangente de l'angle d'inclinaison θ.
Exercices résolus
-Force de friction d'un objet reposant sur une surface horizontale
Une boîte de 15Kg placée sur une surface horizontale est poussée par une personne qui applique une force de 50 Newton le long d'une surface pour la faire bouger puis applique une force de 25 N pour maintenir la boîte en mouvement à une vitesse constante. Déterminez les coefficients de frottement statique et cinétique.
Boîte se déplaçant sur une surface horizontale
Solution: Avec la valeur de la force appliquée pour déplacer la boîte, on obtient le coefficient de frottement statique μ e.
La force normale N à la surface est égale au poids de la boîte, donc N = mg
Dans ce cas, μ e = 50Nouveau / 147Nouveau
La force appliquée pour maintenir la vitesse de la boîte constante est la force de frottement cinétique qui est égale à 25New.
Le coefficient de frottement cinétique est obtenu avec l'équation μ c = F rc / N
-Force de friction d'un objet sous l'action d'une force avec un angle d'inclinaison
Un homme applique une force sur une boîte de 20Kg, avec un angle d'application de 30 ° par rapport à la surface sur laquelle elle repose. Quelle est l'amplitude de la force appliquée pour déplacer la boîte si le coefficient de frottement entre la boîte et la surface est de 0,5?
Solution: Le diagramme du corps libre représente la force appliquée et ses composantes verticale et horizontale.
Diagramme de corps libre
La force appliquée fait un angle de 30 ° avec la surface horizontale. La composante verticale de la force s'ajoute à la force normale affectant la force de frottement statique. La boîte se déplace lorsque la composante horizontale de la force appliquée dépasse la valeur maximale de la force de frottement F re. Assimiler la composante horizontale de la force à celle du frottement statique donne:
Force normale
La force normale n'est plus le poids du corps en raison de la composante verticale de la force.
Selon la deuxième loi de Newton, la somme des forces agissant sur la boîte sur l'axe vertical est nulle, donc la composante verticale de l'accélération est un y = 0. La force normale est obtenue à partir de la somme
En substituant l'équation dans l'équation, on obtient ce qui suit:
-Friction dans un véhicule en mouvement
Un véhicule de 1,5 tonne circule sur une route rectiligne et horizontale à une vitesse de 70 km / h. Le conducteur voit des obstacles sur la route à une certaine distance qui l'obligent à freiner brusquement. Après le freinage, le véhicule dérape pendant un court instant jusqu'à ce qu'il s'arrête. Si le coefficient de frottement entre les pneus et la route est de 0,7; déterminer ce qui suit:
- Quelle est la valeur du frottement pendant que le véhicule dérape?
- Décélération du véhicule
- La distance parcourue par le véhicule entre le moment où il freine et son arrêt.
La force de friction du véhicule lorsqu'il dérape est:
= 10290 Nouveau
Section b
La force de frottement influence le ralentissement du véhicule lorsqu'il dérape.
En appliquant la deuxième loi de Newton, la valeur de la décélération est obtenue en résolvant l'équation F = ma
Section c
La vitesse initiale du véhicule est v 0 = 70Km / h = 19,44m / s
Lorsque le véhicule s'arrête, sa vitesse finale est v f = 0 et la décélération est a = - 6,86 m / s 2
La distance parcourue par le véhicule, du moment où il freine au moment où il s'arrête, est obtenue en résolvant pour d à partir de l'équation suivante:
Le véhicule parcourt 27,54 m de distance avant de s'arrêter.
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