Comprendre la friction (ou le frottement)
On m’a récemment demandé d’examiner un problème de surchauffe lié à une friction excessive. Comme il s’agit d’un phénomène relativement courant, il me paraît important de comprendre quels facteurs y sont impliqués. Je vais de ce fait expliquer dans cet article comment la friction est générée et comment on peut la mesurer.
Définition de la friction
La friction est une résistance qui survient lorsque deux matériaux frottent l’un contre l’autre. Cette propriété physique existe entre deux matériaux différents qui résistent à une force lorsqu’ils sont au contact l’un de l’autre. La friction ne constitue pas toujours un problème, mais elle joue rôle majeur dans la création du mouvement. La force requise pour commencer à faire glisser un objet est légèrement supérieure à la force requise pour le garder immobile. C’est pour cette raison que nous faisons la distinction entre la friction statique et la friction cinétique.
Vous trouverez ci-dessous une liste de facteurs décisifs qui déterminent la nature du mouvement causé par la friction.
m = masse [kg] des objets
Fn = force normale [N] : la force que le poids du matériau exerce sur la surface sur laquelle il repose.
Fa = force de traction [N] : force qui déplace le matériau sur le support (force active).
Ff = force de friction [N] : force résistant au déplacement de l’objet sur le support (force réactive)
g = 9,81 m/s2 (accélération due à la gravité ; utilisée pour convertir une masse en kg en une force en Newton)
Causes de la friction
La friction est principalement causée par la rugosité de la surface des objets en contact les uns avec les autres. En général, plus la surface est rugueuse, plus la friction sera importante. Toutefois, lorsque les deux surfaces sont ultra-lisses, la friction causée par l’attraction moléculaire commence à jouer un rôle, devenant souvent plus forte que la friction mécanique. Cela se produit principalement avec les matériaux souples, comme le caoutchouc et d’autres plastiques flexibles. En effet, les matériaux souples se déforment sous la pression, et cette déformation peut également augmenter la friction.
Coefficient de friction
Le coefficient de friction (m) est le rapport entre la force de friction (FF) et la force normale (FN) :
le rapport susmentionné est appelé la loi de Coulomb (physicien français, 1726-1806). Bien que le coefficient de friction ne dispose d’aucune unité de mesure (force divisée par la force), cette loi peut facilement être vérifiée. Tirez un objet (comme un livre) au moyen d’une balance à ressort sur une surface propre et relevez la force de traction (FA). Répétez cette mesure avec une double charge (comme deux livres). La force de traction requise sera multipliée par deux.
Méthode de détermination du coefficient de friction
En utilisant une balance à ressort (voir ci-dessus), le coefficient de friction approximatif entre une bande transporteuse et une surface spécifique peut facilement être déterminé. Il existe une méthode physiquement correcte (exemple a), ainsi qu’une méthode pas tout à fait correcte, mais utilisable en pratique (exemple b).
a) Exemple de la méthode physiquement correcte
Poids de l’objet m = 1 kg (unité de masse : kg)
Force de traction mesurée FA = 4,9 N (unité de force : Newton)
b) Exemple de la méthode pas tout à fait correcte, mais applicable dans la pratique
Poids de l’objet m = 1 kg (unité de masse : kg)
Force de traction mesurée FA = 0,5 N (unité de force : Newton)
Règles générales
Vous trouverez ci-dessous quelques règles générales sur la friction et des tests simples que vous pouvez effectuer pour expérimenter les niveaux de résistance.
Règle 1 :
Le coefficient de friction dépend des partenaires de friction (composition des matériaux, rugosité de la surface).
Test : frottez différents éléments avec une pression identique (comme une gomme, un paquet de cigarettes, une pièce, un échantillon de bande transporteuse) sur diverses surfaces, par exemple une table, une fenêtre ou un morceau de tissu rugueux. Leur résistance vous semblera très différente !
Règle 2 :
Le coefficient de friction dépend largement de l’état de la surface (propreté, humidité).
Test : frottez deux éléments avec une pression identique, tout d’abord avec des surfaces sèches, puis avec quelques gouttes d’eau entre les surfaces de contact. Leur résistance vous semblera très différente !
Règle 3 :
Le coefficient de friction n’est pas lié à la taille des surfaces de contact entre les deux objets.
Test : tirez des objets fabriqués dans le même matériau et de même poids, mais avec des aires de contact différentes, avec une balance à ressort sur une surface identique. La force de traction sera la même !
Comme vous pouvez le voir, la friction peut être un sujet relativement technique, mais j’espère que cet article a permis de clarifier certaines notions de base. Si vous avez d’autres questions sur ce sujet, n’hésitez pas à nous contacter. Nous serions ravis de vous fournir des informations complémentaires.
