Frottement

Le frottement sec résiste au mouvement latéral relatif de deux surfaces solides en contact. Les deux régimes de frottement sec sont le «frottement statique» («stiction») entre les surfaces non mobiles et le frottement cinétique (parfois appelé frottement de glissement ou frottement dynamique) entre les surfaces en mouvement.

Frottement de Coulomb, nommé daprès Charles-Augustin de Coulomb, est un modèle approximatif utilisé pour calculer la force de frottement sec. Il est régi par le modèle:

F f ≤ μ F n, {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \ leq \ mu F _ {\ mathrm {n}},}

où

Le frottement coulombien F f {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,} peut prendre nimporte quelle valeur de zéro à μ F n {\ displaystyle \ mu F _ {\ mathrm {n}} \,} et la direction de la force de frottement contre une surface est opposée au mouvement que la surface subirait en labsence de frottement. Ainsi, dans le cas statique, la force de frottement est exactement ce quelle doit être pour empêcher le mouvement entre les surfaces; il équilibre la force nette qui tend à provoquer un tel mouvement. Dans ce cas, plutôt que de fournir une estimation de la force de frottement réelle, lapproximation de Coulomb fournit une valeur seuil pour cette force, au-dessus de laquelle le mouvement commencerait. Cette force maximale est appelée traction.

La force de frottement est toujours exercée dans une direction qui soppose au mouvement (pour le frottement cinétique) ou au mouvement potentiel (pour le frottement statique) entre les deux surfaces. Par exemple, une pierre de curling glissant le long de la glace subit une force cinétique qui la ralentit. Pour un exemple de mouvement potentiel, les roues motrices dune voiture en accélération subissent une force de friction pointant vers lavant; sils ne le faisaient pas, les roues tourneraient et le caoutchouc glisserait vers larrière le long du trottoir. Notez que ce nest pas le sens de déplacement du véhicule auquel ils sopposent, cest le sens de glissement (potentiel) entre le pneu et la route.

Force normale

La normale la force est définie comme la force nette qui comprime deux surfaces parallèles ensemble, et sa direction est perpendiculaire aux surfaces. Dans le cas simple dune masse reposant sur une surface horizontale, la seule composante de la force normale est la force due à la gravité, où N = m g {\ displaystyle N = mg \,}. Dans ce cas, lamplitude de la force de frottement est le produit de la masse de lobjet, de laccélération due à la gravité et du coefficient de frottement. Cependant, le coefficient de frottement nest pas fonction de la masse ou du volume; cela ne dépend que du matériau. Par exemple, un gros bloc daluminium a le même coefficient de frottement quun petit bloc daluminium. Cependant, lamplitude de la force de frottement elle-même dépend de la force normale, et donc de la masse du bloc.

Si un objet est sur une surface plane et que la force qui tend à le faire glisser est horizontale , la force normale N {\ displaystyle N \,} entre lobjet et la surface est juste son poids, qui est égal à sa masse multipliée par laccélération due à la gravité de la terre, g. Si lobjet est sur une surface inclinée comme un plan incliné, la force normale est moindre, car moins de la force de gravité est perpendiculaire à la face du plan. Par conséquent, la force normale, et finalement la force de frottement, est déterminée à laide de lanalyse vectorielle, généralement via une diagramme corporel. Selon la situation, le calcul de la force normale peut inclure des forces autres que la gravité.

Coefficient de frottement

Le Le coefficient de frottement (COF), souvent symbolisé par la lettre grecque µ, est une valeur scalaire sans dimension qui décrit le rapport de la force de frottement entre deux corps et de la force qui les presse ensemble. Le coefficient de frottement dépend des matériaux utilisés; par exemple, la glace sur lacier a un faible coefficient de frottement, tandis que le caoutchouc sur la chaussée a un coefficient de frottement élevé. Les coefficients de frottement vont de près de zéro à plus de un. Cest un axiome de la nature du frottement entre les surfaces métalliques quil est plus grand entre deux surfaces de métaux similaires quentre deux surfaces de métaux différents – par conséquent, le laiton aura un coefficient de frottement plus élevé lorsquil est déplacé contre le laiton, mais moins sil est déplacé contre acier ou aluminium.

Pour les surfaces au repos les unes par rapport aux autres μ = μ s {\ displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}, où μ s {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {s}} \,} est le coefficient de frottement statique. Ceci est généralement plus grand que son homologue cinétique.Le coefficient de frottement statique présenté par une paire de surfaces en contact dépend des effets combinés des caractéristiques de déformation du matériau et de la rugosité de surface, qui ont tous deux leurs origines dans la liaison chimique entre les atomes dans chacun des matériaux en vrac et entre les surfaces du matériau et tout matériau adsorbé. La fractalité des surfaces, un paramètre décrivant le comportement déchelle des aspérités de surface, est connue pour jouer un rôle important dans la détermination de lamplitude du frottement statique.

Arthur Morin a introduit le terme et a démontré lutilité du coefficient de friction. Le coefficient de frottement est une mesure empirique – il doit être mesuré expérimentalement et ne peut être trouvé par des calculs. Les surfaces plus rugueuses ont tendance à avoir des valeurs efficaces plus élevées. Les coefficients de frottement statiques et cinétiques dépendent de la paire de surfaces en contact; pour une paire de surfaces donnée, le coefficient de frottement statique est généralement supérieur à celui du frottement cinétique; dans certains ensembles, les deux coefficients sont égaux, comme le téflon sur téflon.

La plupart des matériaux secs en combinaison ont des valeurs de coefficient de frottement comprises entre 0,3 et 0,6. Les valeurs en dehors de cette plage sont plus rares, mais le téflon, par exemple, peut avoir un coefficient aussi bas que 0,04. Une valeur de zéro signifierait pas du tout de friction, une propriété insaisissable. Le caoutchouc en contact avec dautres surfaces peut donner des coefficients de frottement de 1 à 2. Parfois, on soutient que µ est toujours < 1, mais ce nest pas vrai. Alors que dans la plupart des applications pertinentes µ < 1, une valeur supérieure à 1 implique simplement que la force requise pour faire glisser un objet le long de la surface est supérieure à la force normale de la surface sur lobjet. Par exemple, les surfaces recouvertes de caoutchouc de silicone ou de caoutchouc acrylique ont un coefficient de frottement qui peut être nettement supérieur à 1.

Bien quil soit souvent indiqué que le COF est une « propriété matérielle », il est mieux catégorisé en tant que «propriété système». Contrairement aux vraies propriétés des matériaux (telles que la conductivité, la constante diélectrique, la limite délasticité), le COF pour deux matériaux dépend de variables système telles que la température, la vitesse, latmosphère et aussi ce qui est maintenant couramment décrit comme les temps de vieillissement et de dégazage; ainsi que sur les propriétés géométriques de linterface entre les matériaux, à savoir la structure de surface. Par exemple, une broche de cuivre coulissant contre une plaque de cuivre épaisse peut avoir un COF qui varie de 0,6 à faible vitesse (métal glissant contre le métal) à moins de 0,2 à haute vitesse lorsque la surface de cuivre commence à fondre en raison du chauffage par friction. Cette dernière vitesse, bien entendu, ne détermine pas uniquement le COF; si le diamètre de la goupille est augmenté de sorte que léchauffement par frottement est éliminé rapidement, la température baisse, la goupille reste solide et le COF monte à celui dun test « basse vitesse ».

Coefficients de frottement approximatifs

Dans certaines conditions, certains matériaux ont des coefficients de frottement très faibles. Un exemple est le graphite (pyrolytique hautement ordonné) qui peut avoir un coefficient de frottement inférieur à 0,01. >

Le frottement statique est le frottement entre deux ou plusieurs objets solides qui ne se déplacent pas par rapport à Lune et lautre. Par exemple, le frottement statique peut empêcher un objet de glisser sur une surface en pente. Le coefficient de frottement statique, généralement noté μs, est généralement supérieur au coefficient de frottement cinétique. On considère que le frottement statique résulte des caractéristiques de rugosité de surface sur plusieurs échelles de longueur sur des surfaces solides. Ces caractéristiques, appelées aspérités, sont présentes jusquà des dimensions nanométriques et résultent en un véritable contact solide à solide existant uniquement en un nombre limité de points ne représentant quune fraction de la surface de contact apparente ou nominale. La linéarité entre la charge appliquée et la zone de contact réelle, résultant de la déformation daspérité, donne lieu à la linéarité entre la force de frottement statique et la force normale, trouvée pour un frottement type Amonton-Coulomb.

surmonté par une force appliquée avant quun objet ne puisse bouger. La force de frottement maximale possible entre deux surfaces avant le début du glissement est le produit du coefficient de frottement statique et de la force normale: F max = μ s F n {\ displaystyle F_ {max} = \ mu _ {\ mathrm {s}} F_ {n} \,}. Lorsquil ny a pas de glissement, la force de frottement peut avoir nimporte quelle valeur de zéro à F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,}.Toute force inférieure à F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} tentant de faire glisser une surface sur lautre est opposée par une force de frottement de même amplitude et de direction opposée. Toute force supérieure à F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} surmonte la force de frottement statique et provoque un glissement. Le glissement instantané se produit, le frottement statique nest plus applicable – le frottement entre les deux surfaces est alors appelé frottement cinétique. Cependant, un frottement statique apparent peut être observé même dans le cas où le vrai frottement statique est nul.

Un exemple de frottement statique est la force qui empêche une roue de voiture de glisser lorsquelle roule sur le sol. Même si la roue est en mouvement, la zone du pneu en contact avec le sol est stationnaire par rapport au sol, il sagit donc dun frottement statique plutôt que cinétique.

La valeur maximale du frottement statique, lorsque le mouvement est imminent, est parfois appelée friction limitante, bien que ce terme ne soit pas utilisé universellement.

Frottement cinétique

Le frottement cinétique, également appelé frottement dynamique ou frottement par glissement, se produit lorsque deux objets se déplacent lun par rapport à lautre et se frottent (comme un traîneau au sol). Le coefficient de frottement cinétique est généralement noté μk et est généralement inférieur au coefficient de frottement statique pour les mêmes matériaux. Cependant, Richard Feynman commente que « avec les métaux secs, il est très difficile de montrer une différence. » La force de frottement entre deux surfaces après le début du glissement est le produit du coefficient de frottement cinétique et de la force normale: F k = μ k F n {\ displaystyle F_ {k} = \ mu _ {\ mathrm {k}} F_ {n} \,}.

De nouveaux modèles commencent à montrer comment le frottement cinétique peut être supérieur au frottement statique. Le frottement cinétique est maintenant compris, dans de nombreux cas, comme étant principalement causé par une liaison chimique entre les surfaces, plutôt que par des aspérités imbriquées; cependant, dans de nombreux autres cas, les effets de rugosité sont dominants, par exemple dans le frottement caoutchouc-route. La rugosité de surface et la surface de contact affectent le frottement cinétique pour les objets à micro et nano-échelle où les forces de surface dominent les forces dinertie.

Lorigine du frottement cinétique à léchelle nanométrique peut être expliquée par la thermodynamique. Lors du glissement, une nouvelle surface se forme à larrière dun vrai contact glissant, et la surface existante disparaît à lavant de celui-ci. Puisque toutes les surfaces impliquent lénergie de surface thermodynamique, le travail doit être consacré à la création de la nouvelle surface, et lénergie est libérée sous forme de chaleur lors de lélimination de la surface. Ainsi, une force est nécessaire pour déplacer larrière du contact, et la chaleur de frottement est libérée à lavant.

Angle de frottement

Pour certaines applications, il est plus utile de définir le frottement statique en fonction de langle maximum avant lequel lun des éléments commencera à glisser. Cest ce quon appelle langle de frottement ou langle de frottement. Il est défini comme suit:

tan ⁡ θ = μ s {\ displaystyle \ tan {\ theta} = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}

où θ est langle de lhorizontale et µs est le coefficient de frottement statique entre les objets. Cette formule peut également être utilisée pour calculer µs à partir de mesures empiriques de langle de frottement.

Frottement au niveau atomique

La détermination des forces nécessaires pour déplacer les atomes les uns par rapport aux autres est un défi en concevoir des nanomachines. En 2008, pour la première fois, des scientifiques ont pu déplacer un seul atome sur une surface et mesurer les forces requises. En utilisant un vide ultra-poussé et une température presque nulle (5 ° K), un microscope à force atomique modifié a été utilisé pour faire glisser un atome de cobalt et une molécule de monoxyde de carbone sur des surfaces de cuivre et de platine.

Limitations du modèle de Coulomb

Lapproximation de Coulomb découle des hypothèses que: les surfaces sont en contact atomiquement étroit seulement sur une petite fraction de leur surface totale; que cette surface de contact est proportionnelle à la force normale (jusquà saturation, qui a lieu lorsque toute la surface est en contact atomique); et en ce que la force de frottement est proportionnelle à la force normale appliquée, indépendamment de la zone de contact. Lapproximation de Coulomb est fondamentalement une construction empirique. Il sagit dune règle empirique décrivant le résultat approximatif dune interaction physique extrêmement compliquée. La force de lapproximation est sa simplicité et sa polyvalence. Bien que la relation entre la force normale et la force de frottement ne soit pas exactement linéaire (et donc la force de frottement nest pas entièrement indépendante de la zone de contact des surfaces), lapproximation de Coulomb est une représentation adéquate du frottement pour lanalyse de nombreux systèmes physiques.

Lorsque les surfaces sont jointes, le frottement de Coulomb devient une très mauvaise approximation (par exemple, le ruban adhésif résiste au glissement même en labsence de force normale ou de force normale négative). Dans ce cas, la force de frottement peut dépendre fortement de la zone de contact. Certains pneus de course de dragsters sont adhésifs pour cette raison. Cependant, malgré la complexité de la physique fondamentale derrière le frottement, les relations sont suffisamment précises pour être utiles dans de nombreuses applications.

Coefficient de frottement « négatif »

Depuis 2012, un seul Létude a démontré le potentiel dun coefficient de frottement effectivement négatif dans le régime à faible charge, ce qui signifie quune diminution de la force normale entraîne une augmentation du frottement. Cela contredit lexpérience quotidienne dans laquelle une augmentation de la force normale conduit à une augmentation de la friction. Cela a été rapporté dans la revue Nature en octobre 2012 et impliquait le frottement rencontré par un stylet de microscope à force atomique lorsquil était traîné sur une feuille de graphène en présence doxygène adsorbé par du graphène.

Simulation numérique du modèle de Coulomb

Bien quil sagisse dun modèle simplifié de frottement, le modèle Coulomb est utile dans de nombreuses applications de simulation numérique telles que les systèmes à corps multiples et les matériaux granulaires. Même son expression la plus simple résume les effets fondamentaux du collage et du glissement qui sont nécessaires dans de nombreux cas appliqués, bien que des algorithmes spécifiques doivent être conçus afin dintégrer numériquement efficacement des systèmes mécaniques avec frottement coulombien et contact bilatéral ou unilatéral. Certains effets assez non linéaires, tels que les paradoxes dits de Painlevé, peuvent être rencontrés avec le frottement de Coulomb.

Frottement sec et instabilités

Le frottement sec peut induire plusieurs types dinstabilités dans les systèmes mécaniques qui affichent un comportement stable en labsence de frottement. Ces instabilités peuvent être causées par la diminution de la force de frottement avec une vitesse de glissement croissante, par lexpansion du matériau due à la génération de chaleur lors du frottement (les instabilités thermo-élastiques), ou par des effets dynamiques purs de glissement de deux matériaux élastiques -Instabilités de Martin). Ces derniers ont été découverts à lorigine en 1995 par George G. Adams et João Arménio Correia Martins pour des surfaces lisses et ont ensuite été trouvés dans des surfaces rugueuses périodiques. En particulier, les instabilités dynamiques liées au frottement seraient responsables du grincement des freins et du «chant» dune harpe de verre, des phénomènes qui impliquent le bâton et le glissement, modélisés comme une baisse du coefficient de frottement avec la vitesse.

Un cas pratiquement important est lauto-oscillation des cordes dinstruments à archet tels que le violon, le violoncelle, la vielle à roue, lerhu, etc.

Une connexion entre frottement sec et instabilité de flottement dans un système mécanique simple a été découvert, regardez le film pour plus de détails.

Les instabilités de frottement peuvent conduire à la formation de nouveaux modèles auto-organisés (ou « structures secondaires ») à linterface de glissement, comme des tribofilms formés in-situ qui sont utilisés pour réduire la friction et lusure des matériaux dits autolubrifiants.