La friction est la résistance au déplacement 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. Fr.
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 frottement agit sur le corps, le ralentit et peut même l'arrêter..
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 Fr est dessinée à l'opposé de 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, il est dû à des forces appliquées autres que la force de gravité.
Le frottement se produit parce qu'il y a 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.
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Il existe deux principaux types de frottements: les frottements de Coulomb ou frottement sec et frottement fluide.
Friction 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 ne suffit pas à vaincre la force de frottement. Le frottement a une valeur maximale qui est proportionnelle à la force normale et s'appelle la force de frottement statique Fré.
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. Frc.
La force de friction cinétique est inférieure ou égale à la force de friction 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..
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.
Le frottement de Stokes est un type de frottement fluide dans lequel des particules sphériques immergées dans un fluide visqueux, dans un écoulement laminaire, subissent une force de frottement qui ralentit leur mouvement en raison des fluctuations des molécules du fluide..
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.
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.
μ = Fr/N
Le coefficient μ c'est une grandeur sans dimension, car c'est 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.
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.
μet= Fré/ N
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.
μc= Frc/ N
Le coefficient de frottement statique est supérieur au coefficient de frottement cinétique.
μs> μc
Le coefficient de frottement élastique est dérivé du frottement entre les surfaces de contact de matériaux élastiques, souples 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..
Le coefficient de frottement moléculaire 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.
La force de frottement aux interfaces solides est calculée à l'aide de l'équation Fr = μN
N est la force normale et μ est le coefficient de frottement.
Dans certains cas, la force normale est égale au poids du corps P. Le poids est obtenu en multipliant la masse m du corps par l'accélération de la gravité g.
P= mg
La substitution de l'équation de poids dans l'équation de la force de frottement donne:
Fr = μmg
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 en pente, 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:
N = mgcosθ
θ = angle d'inclinaison de la surface de contact.
La composante de la force agissant sur le corps pour le faire glisser est:
F = mgsenθ
Au fur et à mesure que la force appliquée augmente, elle se rapproche de la valeur maximale de la force de frottement, cette valeur est celle correspondant à la force de frottement statique. Lorsque F = Fré, la force de frottement statique est:
Fré= mgsenθ
Et le coefficient de frottement statique est obtenu par la tangente de l'angle d'inclinaison θ.
μet = soθ
Une boîte de 15 kg placée sur une surface horizontale est poussée par une personne qui applique une force de 50 Newton sur une surface pour la faire bouger, puis applique une force de 25 N pour maintenir la boîte en mouvement à une vitesse constante. Déterminer les coefficients de frottement statique et cinétique.
Solution: Avec la valeur de la force appliquée pour déplacer la boîte, le coefficient de frottement statique est obtenu μet.
μet= Fré/ N
Force normale N à la surface est égal au poids de la boîte, donc N = m.g
N = 15 kg x 9,8 m / sdeux
N = 147Nouveau
Dans ce cas, μet= 50Nouveau / 147Nouveau
μet= 0,34
La force appliquée pour maintenir la vitesse de la boîte constante est la force de frottement cinétique qui est égale à 25.
Le coefficient de frottement cinétique est obtenu à partir de l'équation μc= Frc / N
μc= 25Nouveau / 147Nouveau
μc= 0,17
Un homme applique une force sur une boîte de 20Kg, avec un angle d'application de 30 ° par rapport à la surface où 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: la force appliquée et ses composantes verticale et horizontale sont représentées dans le diagramme du 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 Fré. Assimiler la composante horizontale de la force à celle du frottement statique donne:
Fré = Fcosθ [1]
Fré= μet.N [deux]
μet.N = Fcosθ [3]
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 àOui= 0. La force normale est obtenue à partir de la somme
F sin30 ° + N - P = 0 [4]
P = m.g [5]
F sin 30 ° + N - m.g = 0 [6]
N = m.g - F sin 30 ° [7]
La substitution de l'équation [7] dans l'équation [3] donne ce qui suit:
μet. (m.g - F sin 30 °) = Fcos30 ° [8]
Efface F de l'équation [8] et nous obtenons:
F = μet . m.g / (cos 30 ° + μet sin 30 °) = 0,5 x 20 kg x 9,8 m / sdeux / (0,87+ (0,5 x 0,5)) =
F = 87,5 Nouveau
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:
Solution:
Le diagramme du corps libre montre les forces agissant sur le véhicule lorsqu'il dérape..
La somme des forces agissant sur l'axe vertical étant nulle, la force normale est égale au poids du véhicule.
N = m.g
m = 1,5 tonne = 1500 kg
N = 1 500 kg x 9,8 m / sdeux= 14700Nouveau
La force de frottement du véhicule lorsqu'il dérape est:
Fr = μN = 0,7x14700Nouveau
= 10290 Nouveau
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 = m.a
a = F / m
a = (-10290 Nouveau) / 1500Kg
= -6,86 m / sdeux
La vitesse initiale du véhicule est v0 = 70 km / h = 19,44 m / s
Lorsque le véhicule s'arrête, sa vitesse finale est vF = 0 et la décélération est a = -6,86 m / sdeux
La distance parcourue par le véhicule, du freinage à l'arrêt, est obtenue par effacement ré à partir de l'équation suivante:
vFdeux = v0deux+2ad
d = (vFdeux - v0deux) / 2ème
= ((0)deux-(19,44 m / s)deux) / (2x (-6,86 m / sdeux))
d = 27,54 m
Le véhicule voyage 27,54 m loin avant de s'arrêter.
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