La friction est l'un des concepts les plus importants en dynamique. Que sais-tu de lui? Force de friction Quelle est la principale caractéristique de ces forces

08.02.2024 | Littérature russe

La force de frottement dans les conditions terrestres accompagne tout mouvement des corps. Cela se produit lorsque deux corps entrent en contact si ces corps se déplacent l'un par rapport à l'autre. La force de frottement est toujours dirigée le long de la surface de contact, contrairement à la force élastique qui est dirigée perpendiculairement (Fig. 1, Fig. 2).

Riz. 1. Différence entre les directions de la force de frottement et de la force élastique

Riz. 2. La surface agit sur le bloc, et le bloc agit sur la surface

Il existe des types de frottements secs et non secs. Le type de frottement sec se produit lorsque des corps solides entrent en contact.

Considérons un bloc posé sur une surface horizontale (Fig. 3). Il est soumis à l'action de la gravité et de la force de réaction du sol. Agissons sur le bloc avec une petite force , dirigé le long de la surface. Si le bloc ne bouge pas, cela signifie que la force appliquée est équilibrée par une autre force, appelée force de frottement statique.

Riz. 3. Force de friction statique

Force de friction au repos () de direction opposée et de grandeur égale à la force tendant à déplacer un corps parallèlement à la surface de son contact avec un autre corps.

À mesure que la force de « cisaillement » augmente, le bloc reste au repos, par conséquent, la force de frottement statique augmente également. Avec une force suffisamment importante, le bloc commencera à bouger. Cela signifie que la force de frottement statique ne peut pas augmenter indéfiniment – il existe une limite supérieure au-delà de laquelle elle ne peut pas augmenter. La valeur de cette limite est la force de frottement statique maximale.

Appliquons une pression sur le bloc à l'aide d'un dynamomètre.

Riz. 4. Mesurer la force de frottement à l'aide d'un dynamomètre

Si le dynamomètre agit dessus avec une force, vous pouvez alors voir que la force de frottement statique maximale augmente avec l'augmentation de la masse du bloc, c'est-à-dire avec l'augmentation de la gravité et de la force de réaction du support. Si des mesures précises sont prises, elles montreront que la force de frottement statique maximale est directement proportionnelle à la force de réaction du support :

où est le module de la force de frottement statique maximale ; N– force de réaction au sol (pression normale) ; – coefficient de frottement statique (proportionnalité). Par conséquent, la force de friction statique maximale est directement proportionnelle à la force de pression normale.

Si vous effectuez une expérience avec un dynamomètre et un bloc de masse constante, tout en tournant le bloc sur différents côtés (en modifiant la zone de contact avec la table), vous pouvez voir que la force de frottement statique maximale ne change pas (Fig. 5). Par conséquent, la force de frottement statique maximale ne dépend pas de la surface de contact.

Riz. 5. La valeur maximale de la force de frottement statique ne dépend pas de la zone de contact

Des études plus précises montrent que le frottement statique est entièrement déterminé par la force appliquée au corps et à la formule.

La force de frottement statique n’empêche pas toujours le mouvement d’un corps. Par exemple, la force de friction statique agit sur la semelle d’une chaussure, conférant une accélération et permettant de marcher sur le sol sans glisser (Fig. 6).

Riz. 6. La force de friction statique agissant sur la semelle d'une chaussure

Autre exemple : la force de frottement statique agissant sur une roue de voiture permet de démarrer son mouvement sans glisser (Fig. 7).

Riz. 7. La force de friction statique agissant sur une roue de voiture

Dans les entraînements par courroie, la force de frottement statique agit également (Fig. 8).

Riz. 8. La force de friction statique dans les transmissions par courroie

Si un corps bouge, alors la force de frottement agissant sur lui depuis la surface ne disparaît pas ; ce type de frottement est appelé ; frottement de glissement. Les mesures montrent que la force de frottement de glissement est presque égale à la force de frottement statique maximale (Fig. 9).

Riz. 9. Force de friction de glissement

La force de frottement de glissement est toujours dirigée contre la vitesse de mouvement du corps, c'est-à-dire qu'elle entrave le mouvement. Par conséquent, lorsqu'un corps se déplace uniquement sous l'influence d'un frottement, il lui confère une accélération négative, c'est-à-dire que la vitesse du corps diminue constamment.

L'ampleur de la force de frottement de glissement est également proportionnelle à la force de pression normale.

où est le module de la force de frottement de glissement ; N– force de réaction au sol (pression normale) ; – coefficient de frottement de glissement (proportionnalité).

La figure 10 montre un graphique de la force de friction par rapport à la force appliquée. Il montre deux zones différentes. La première section, dans laquelle la force de frottement augmente avec la force appliquée, correspond au frottement statique. La deuxième section, dans laquelle la force de frottement ne dépend pas de la force extérieure, correspond au frottement de glissement.

Riz. 10. Graphique de la force de friction en fonction de la force appliquée

Le coefficient de frottement de glissement est approximativement égal au coefficient de frottement statique. Généralement, le coefficient de frottement de glissement est inférieur à un. Cela signifie que la force de frottement de glissement est inférieure à la force de pression normale.

Le coefficient de frottement de glissement est une caractéristique du frottement de deux corps l'un contre l'autre ; il dépend des matériaux dont sont faits les corps et de la qualité du traitement des surfaces (lisses ou rugueuses).

L'origine des forces de frottement statiques et de glissement est déterminée par le fait qu'aucune surface au niveau microscopique n'est plane ; des inhomogénéités microscopiques sont toujours présentes sur n'importe quelle surface (Fig. 11).

Riz. 11. Surfaces des corps au niveau microscopique

Lorsque deux corps en contact tentent de se déplacer l'un par rapport à l'autre, ces discontinuités s'engagent et empêchent ce mouvement. Avec une petite force appliquée, cet engagement est suffisant pour empêcher les corps de bouger, ce qui entraîne un frottement statique. Lorsque la force externe dépasse le frottement statique maximum, l'engagement des aspérités n'est pas suffisant pour maintenir les corps, et ils commencent à se déplacer les uns par rapport aux autres, tandis que la force de frottement de glissement agit entre les corps.

Ce type de friction se produit lorsque des corps roulent les uns sur les autres ou lorsqu'un corps roule sur la surface d'un autre. Le frottement de roulement, comme le frottement de glissement, confère une accélération négative à un corps.

L'apparition d'une force de frottement de roulement est due à la déformation du corps roulant et de la surface d'appui. Ainsi, une roue située sur une surface horizontale déforme cette dernière. Lorsque la roue bouge, les déformations n'ont pas le temps de se rétablir, la roue doit donc constamment gravir une petite colline, ce qui provoque un moment de force qui ralentit le roulement.

Riz. 12. L'émergence de la force de frottement de roulement

L'ampleur de la force de frottement de roulement est, en règle générale, plusieurs fois inférieure à la force de frottement de glissement, toutes choses étant égales par ailleurs. Pour cette raison, le roulement est un type de mouvement courant dans la technologie.

Lorsqu’un corps solide se déplace dans un liquide ou un gaz, une force de résistance provenant du milieu agit sur lui. Cette force est dirigée contre la vitesse du corps et ralentit le mouvement (Fig. 13).

La principale caractéristique de la force de traînée est qu’elle apparaît uniquement en présence d’un mouvement relatif du corps et de son environnement. Autrement dit, la force de friction statique n’existe pas dans les liquides et les gaz. Cela conduit au fait qu'une personne peut déplacer même une barge lourde sur l'eau.

Riz. 13. Force de résistance agissant sur un corps lorsqu'il se déplace dans un liquide ou un gaz

Le module de la force résistante dépend de :

De la taille du corps et de sa forme géométrique (Fig. 14) ;

Conditions de la surface du corps (Fig. 15) ;

Propriétés du liquide ou du gaz (Fig. 16) ;

Vitesse relative du corps et de son environnement (Fig. 17).

Riz. 14. Dépendance du module de force de résistance sur la forme géométrique

Riz. 15. Dépendance du module de force de résistance sur l'état de la surface du corps

Riz. 16. Dépendance du module de force de résistance sur les propriétés du liquide ou du gaz

Riz. 17. Dépendance du module de force de résistance à la vitesse relative du corps et de son environnement

La figure 18 montre un graphique de la force de résistance en fonction de la vitesse du corps. A une vitesse relative égale à zéro, la force de traînée n'agit pas sur le corps. À mesure que la vitesse relative augmente, la force de traînée augmente lentement au début, puis le taux de croissance augmente.

Riz. 18. Graphique de la force de résistance en fonction de la vitesse du corps

À basse vitesse relative, la force de traînée est directement proportionnelle à l’ampleur de cette vitesse :

où est la vitesse relative ; – coefficient de résistance, qui dépend du type de milieu visqueux, de la forme et de la taille du corps.

Si la vitesse relative est suffisamment grande, alors la force de traînée devient proportionnelle au carré de cette vitesse.

où est la vitesse relative ; – coefficient de résistance.

Le choix de la formule pour chaque cas spécifique est déterminé empiriquement.

Un corps pesant 600 g se déplace uniformément le long d'une surface horizontale (Fig. 19). En même temps, une force lui est appliquée dont la valeur est de 1,2 N. Déterminez la valeur du coefficient de frottement entre le corps et la surface.

Leçons 7 à 8. Tout sur la force de friction

Nous rencontrons des frictions à chaque étape, mais sans frictions, nous ne ferions pas un seul pas. Il est impossible d’imaginer un monde sans forces de friction. En l’absence de frictions, de nombreux mouvements à court terme se poursuivraient indéfiniment. La terre tremblerait à cause de tremblements de terre continus, parce que... les plaques tectoniques entreraient constamment en collision les unes avec les autres. Tous les glaciers tomberaient immédiatement des montagnes et la poussière du vent de l'année dernière volerait sur la surface de la Terre. Comme c’est bien qu’il existe encore une force de friction dans le monde ! En revanche, le frottement entre les pièces de la machine entraîne une usure et des coûts supplémentaires. Des estimations approximatives montrent que la recherche en tribologie – la science du frottement – pourrait permettre d'économiser 2 à 10 % du produit brut national.

Loi classique du frottement. Les deux inventions les plus importantes de l’homme – la roue et la fabrication du feu – sont associées à la force de friction. L'invention de la roue a permis de réduire considérablement la force qui gêne le mouvement, et la production du feu a mis la force de friction au service de l'homme. Cependant, les scientifiques sont encore loin de comprendre pleinement les bases physiques de la force de friction. Et pas du tout parce que les gens ne s’intéressent plus à ce phénomène depuis un certain temps. La première formulation des lois du frottement appartient au grand Léonard (1519), qui a soutenu que la force de frottement apparaissant lorsqu'un corps entre en contact avec la surface d'un autre corps est proportionnelle à la force de pression, dirigée contre la direction du mouvement et ne dépend pas de la zone de contact. Cette loi fut redécouverte 180 ans plus tard par G. Amonton, puis affinée dans les travaux de C. Coulomb (1781). Amonton et Coulomb ont introduit le concept de coefficient de frottement comme rapport entre la force de frottement et la charge, lui donnant la valeur d'une constante physique qui détermine complètement la force de frottement pour toute paire de matériaux en contact. Pour l'instant voici la formule :

où Ftr est la force de frottement, N est la composante de la force de pression normale à la surface de contact et est le coefficient de frottement, qui est la seule formule que l'on puisse trouver dans les manuels de physique.

Depuis deux siècles, personne n’a pu réfuter la loi prouvée expérimentalement (1), et elle sonne toujours comme il y a 200 ans :

1. La force de frottement est directement proportionnelle à la composante normale de la force comprimant les surfaces des corps coulissants et agit toujours dans le sens opposé au sens du mouvement.

2. La force de friction ne dépend pas de la taille de la surface de contact.

3. La force de frottement ne dépend pas de la vitesse de glissement.

4. La force de friction statique est toujours supérieure à la force de friction coulissante.

5. La force de frottement dépend uniquement des propriétés des deux matériaux qui glissent l'un contre l'autre.

Nous nous frottons les mains et vérifions la loi fondamentale du frottement. La force de frottement fait partie des forces dissipatives. En d’autres termes, tout le travail consacré à le surmonter se transforme en chaleur. Les valeurs de m données dans les ouvrages de référence d'ingénierie permettent d'évaluer cet échauffement dans les instruments et appareils conçus (voir tableau). Eh bien, nous allons essayer de trouver la quantité d'énergie thermique libérée lorsque, pendant l'échauffement, nous nous frottons les mains ou les utilisons pour réchauffer des zones refroidies du corps.

Serrons nos paumes avec une force de 0,5 N et le frottement peau à peau est de 0,5. Ensuite, la force de frottement que nous surmontons en faisant glisser une paume sur la surface de l'autre sera égale à 0,25 N. Si nous supposons que, pendant l'échauffement, nous effectuons quatre mouvements de la paume en une seconde, et chacun d'eux est de 0,1 m, alors la puissance dépensée pour vaincre la force de frottement est de 0,1 W. En 10 secondes d'un tel chauffage, 1 J d'énergie thermique sera libéré dans la zone de contact des paumes. Laissez toute la chaleur chauffer une partie de la surface de la peau d'une superficie de 0,01 m2 et d'une épaisseur de 0,001 m, qui a une masse d'environ 10 à 5 kg et une capacité thermique spécifique proche de la capacité thermique de eau (4 kJ/(kg. °C). Cela signifie que notre chauffage entraînera un chauffage de cette zone de 25 °C. On voit que l'estimation du chauffage a été clairement surestimée. La majeure partie de la chaleur provenant du chauffage, bien sûr , pénètre dans les tissus situés sous la peau et se propage dans tout le corps avec la circulation sanguine, mais la partie restante de l'énergie thermique est suffisante pour élever la température de la peau de quelques degrés.

Distances de freinage. Deux voitures sont entrées en collision à une intersection. Les dégâts sont mineurs, car tout le monde a réussi à freiner presque complètement avant l'accident. Personne ne veut donc se considérer coupable. L'inspecteur arrivé a décidé que celui qui avait la distance de freinage la plus longue – la marque noire de la roue – était à blâmer. Pourquoi?

Laissez une voiture entrer dans une intersection à une vitesse de , et son conducteur, voyant une autre voiture, a commencé à freiner, laissant une traînée de longueur L sur la route si nous supposons qu'au moment de la collision, toute l'énergie cinétique de la voiture. a été converti en travail pour vaincre la force de frottement (en chaleur), puis où m est la masse de la voiture et g est l'accélération de la gravité. Il s'ensuit que la distance de freinage est proportionnelle au carré de la vitesse du véhicule. Cela signifie que celui qui s'approche de l'intersection à une vitesse plus élevée a également une distance de freinage plus longue. Ainsi, par exemple, pour = 0,7, une distance de freinage de 30 m correspond à une vitesse de 73 km/h, soit 13 km/h de plus que la vitesse autorisée dans les rues de la ville.

Pourquoi tous les pneus sont noirs ? Tous les fabricants de pneus utilisent le même procédé : la vulcanisation du caoutchouc liquide, dans lequel l'un des additifs est du carbone en poudre. En conséquence, de longues molécules de caoutchouc liquide sont cousues ensemble, ce qui en fait un matériau élastique et durable. Comme les particules de charbon sont noires et qu'elles sont relativement nombreuses (environ 25 % en poids), le caoutchouc devient noir. Plus on ajoute de poudre de carbone, composée presque uniquement de carbone, plus le caoutchouc sera rigide, durable et moins collant.

Comment appuyer sur l'accélérateur et freiner pour accélérer et s'arrêter plus vite ? Certains conducteurs, voyant que le feu est passé au vert, appuient jusqu'au sol sur la pédale d'accélérateur, essayant d'atteindre la vitesse maximale le plus rapidement possible. Les témoins d'un tel sursaut entendent le sifflement des pneus qui glissent par rapport à la route. De l'extérieur, cela a l'air vraiment très impressionnant. Mais comment vraiment ? Est-il vraiment nécessaire de forcer les roues à glisser sur la chaussée pour que la voiture obtienne une accélération maximale ? Bien sûr que non.

On sait que la force motrice d’une voiture est la force de frottement de ses roues sur la chaussée. Si vous appuyez brusquement sur la pédale d'accélérateur, provoquant le glissement des pneus par rapport à l'asphalte, l'accélération maximale sera alors proportionnelle à la force de frottement de glissement, qui est toujours inférieure à la force de frottement statique maximale. Par conséquent, ce ne sont pas ceux qui brûlent le caoutchouc des pneus qui accélèrent plus rapidement, mais ceux qui utilisent la force de frottement statique (c'est-à-dire ne permettent pas le glissement) dans la plage où elle dépasse la force de frottement de glissement.

Un freinage brusque, ainsi qu'une accélération, peuvent entraîner le glissement des roues sur la chaussée, ce qui entraîne une diminution de la force de freinage de la voiture. Après tout, la force de freinage est aussi la force de frottement. Par conséquent, en appuyant très fortement sur la pédale d'accélérateur et en permettant le glissement, nous augmentons la distance de freinage. Pour minimiser la distance de freinage, les voitures modernes sont équipées d'un système ABS (Antilock Brake System) qui, empêchant les roues de glisser sur la chaussée, transforme une forte pression sur le frein en une séquence de plusieurs freinages. L'efficacité du freinage ABS est particulièrement élevée sur routes mouillées, lorsque la force de friction statique maximale peut être plusieurs fois supérieure à la force de friction de glissement.

Dépendance de la force de frottement agissant sur un corps par rapport à la force qui peut conduire ou conduit au mouvement du corps sur des surfaces routières sèches et mouillées

Pourquoi avez-vous besoin d'un motif sur vos pneus de voiture ? Si une voiture entre dans une flaque d'eau et que l'eau n'a pas le temps de jaillir sous la roue, la traction est perdue et la roue peut tourner autour de son axe sans subir de frottement. Dans ce cas, la voiture perd sa force motrice et devient incontrôlable. C'est pourquoi il y a des rainures sur les pneus des pneus de voiture qui aident l'eau à s'écouler sous la roue, ce qui aide le caoutchouc des pneus, même dans les flaques d'eau, à trouver rapidement le contact avec la surface de la route. En hiver, la plupart des conducteurs mettent des pneus d’hiver sur leur voiture. Si vous conduisez avec des pneus été en hiver, les rainures étroites se boucheront rapidement par la neige et celle-ci, se transformant en glace, fera de la voiture un excellent moyen de glisser de manière incontrôlable sur les routes. Par conséquent, les pneus conçus pour rouler sur des routes enneigées et verglacées ont de larges rainures et une surface de contact beaucoup plus grande avec la chaussée. Eh bien, si vous devez conduire tout-terrain, les pneus doivent être profondément rainurés, car... La saleté à haute viscosité ne passera tout simplement pas à travers les rainures lorsqu'elle se déplacera sous le poids de la roue motrice.

Pneus de voiture conçus pour l'été (à gauche),
routes d'hiver (au milieu) et tout-terrain (à droite)

La Formule 1 est une guerre des pneus. Chaque pilote de course automobile souhaite une bonne adhérence pour garantir un démarrage rapide. Mais cela signifie que les pneus de sa voiture doivent bien adhérer à la chaussée. Après tout, ce n’est qu’à ce moment-là que la force de friction statique maximale sera importante. Mais un pneu aussi collant laissera toujours une traînée de particules sur la route qui adhéreront pour toujours à la surface de la route. En d’autres termes, les pneus à haute adhérence s’usent également. Ainsi, lors des courses de Formule 1, la durée de vie moyenne des pneus est d'environ 200 km, alors que pour les pneus conventionnels, elle peut atteindre plusieurs dizaines de milliers de kilomètres.

Les pneus des voitures de course de Formule 1 sont très larges et complètement « chauves »

On sait que les courses automobiles se déroulent sur des pneus chauves ou des pneus avec plusieurs rainures très peu profondes. Les rainures dans les pneus des voitures de course ne sont pas nécessaires car... ils n'augmentent la traction que lorsque la route est mouillée. Et si la route est mouillée, les courses sont annulées.

Un caoutchouc collant spécial est utilisé pour produire des pneus de course. Par conséquent, la force de frottement de ces pneus sur route sèche augmente avec l’augmentation de la surface de contact, entrant ainsi en conflit avec la loi classique valable pour le frottement des surfaces dures et inélastiques. Pour garantir une force de friction maximale, les pneus des voitures de course sont très larges (jusqu'à 0,38 m), ce qui permet également une meilleure dissipation de la chaleur générée par le frottement contre la chaussée.

Les pneus propres adhèrent mieux à la route que les pneus sales. Ainsi, juste avant le départ, les pneus sont chauffés à 80°C à l'aide de dispositifs et de procédures spécifiques, nettoyant leur surface et assurant une bonne adhérence à la chaussée. D'ailleurs, les pneus des voitures de course sont parfois gonflés à l'azote, car... L'humidité contenue dans l'air ordinaire s'évapore lorsque les pneus chauffent et augmente la pression dans les roues, ce qui crée des difficultés supplémentaires de conduite.

De quoi chantent les roues ? Le bruit des roues des voitures est l’un des principaux problèmes des grandes villes. D'énormes sommes d'argent sont dépensées chaque année pour lutter contre ce bruit, car... Le coût d’un kilomètre de barrière insonorisante installée le long de l’autoroute s’élève à près d’un million de dollars. Il existe plusieurs théories sur l'origine de ce bruit. Dans l’un d’eux, on pense que cela se produit en raison des vibrations des zones déformées de la partie extérieure du pneu après leur redressement. Un autre associe l’apparition du bruit au caoutchouc qui sort de la route. Eh bien, l'hypothèse la plus romantique explique le bruit en disant que la cause de tout cela est l'air qui se déplace le long des rainures des pneus de voiture, comme dans les tuyaux d'un orgue, et donc le chant.

Les classiques n’ont pas toujours raison. Déjà au 19ème siècle. Il est devenu clair que la loi d'Amonton-Coulomb ne fournit pas une description correcte de la force de frottement et que les coefficients de frottement ne sont en aucun cas des caractéristiques universelles. Tout d'abord, il a été noté que les coefficients de frottement dépendent non seulement des matériaux en contact, mais également de la douceur avec laquelle les surfaces en contact sont traitées. Il s'est avéré, par exemple, que la force de frottement dans le vide est toujours supérieure à celle dans des conditions normales.

Comme le note le prix Nobel de physique (1965) R. Feynman dans ses conférences, « ... les tableaux qui répertorient les coefficients de frottement « acier sur acier, cuivre sur cuivre » et ainsi de suite, sont tous une arnaque complète, car ils négligent ces petites choses, mais ce sont elles qui en déterminent le sens. Friction « cuivre sur cuivre », etc. – il s’agit en fait d’une friction « contre les contaminants adhérant au cuivre ».

Vous pouvez bien sûr emprunter une autre voie et, en étudiant le frottement « cuivre sur cuivre », mesurer les forces lors du mouvement de surfaces parfaitement polies et dégazées sous vide. Mais alors deux de ces morceaux de cuivre resteront simplement collés ensemble et le coefficient de frottement statique commencera à augmenter avec le temps qui s'est écoulé depuis le début du contact des surfaces. Pour les mêmes raisons, le coefficient de frottement de glissement dépendra de la vitesse (augmente à mesure qu'elle diminue). Cela signifie qu’il est également impossible de déterminer avec précision la force de frottement des métaux purs.

Néanmoins, pour les surfaces étalons sèches, la loi classique du frottement est presque exacte, même si la raison de ce type de loi est restée floue jusqu'à très récemment. Après tout, personne n’a été capable d’estimer théoriquement le coefficient de frottement entre deux surfaces.

Comment les atomes se frottent-ils les uns contre les autres ? – demandons-nous aux scientifiques. La difficulté d'étudier le frottement réside dans le fait que l'endroit où ce processus se produit est caché au chercheur de tous côtés. Malgré cela, les scientifiques concluent depuis longtemps que la force de friction est due au fait qu'au niveau microscopique (c'est-à-dire si vous regardez au microscope), les surfaces en contact sont très rugueuses, même si elles sont polies. Par conséquent, le glissement de deux surfaces l’une sur l’autre peut ressembler à un cas fantastique où les montagnes inversées du Caucase frottent, par exemple, contre l’Himalaya.

Auparavant, on pensait que le mécanisme de friction était simple : la surface était recouverte d'irrégularités et la friction était le résultat de cycles successifs de « montée-descente » des pièces coulissantes. Mais c’est faux, car il n’y aurait alors aucune perte d’énergie, mais la friction consomme de l’énergie. Par conséquent, le modèle de friction suivant peut être considéré comme plus correct. Au fur et à mesure que les surfaces frottantes glissent, les microrugosités se touchent et, aux points de contact, les atomes opposés s'emboîtent. Avec un mouvement relatif ultérieur des corps, ces couplages se rompent et des vibrations atomiques apparaissent, similaires à celles qui se produisent lorsqu'un ressort tendu est relâché. Au fil du temps, ces vibrations s'éteignent et leur énergie se transforme en chaleur, se propageant dans les deux corps. Dans le cas du glissement de corps mous, la destruction des micro-irrégularités, ce qu'on appelle le « labour », est également possible ; dans ce cas, l'énergie mécanique est dépensée pour la destruction des liaisons atomiques ;

Ainsi, si l’on veut étudier le frottement, il faut parvenir à déplacer un grain de sable, constitué de plusieurs atomes, le long d’une surface à très faible distance de celle-ci, tout en mesurant les forces agissant sur ce grain de sable depuis la surface. Cela est devenu possible après l'invention du microscope à force atomique (AFM) par G. Binning et G. Rohrer, qui ont reçu le prix Nobel de physique en 1986. La création d'un tel microscope, capable de ressentir les forces d'attraction et de répulsion entre les atomes individuels, a permis de « ressentir » enfin ce que sont les forces de friction, ouvrant ainsi un nouveau domaine de la science de la friction : la nanotribologie.

La base de l'AFM est une microsonde, généralement en silicium et représentant une fine plaque en porte-à-faux (on l'appelle un cantilever, de l'anglais cantilever - console, poutre). À l'extrémité du porte-à-faux (longueur 500 µm, largeur 50 µm, épaisseur 1 µm) se trouve une pointe très pointue (hauteur 10 µm, rayon de courbure 1 à 10 nm), se terminant par un groupe d'un ou plusieurs atomes. Lorsque la microsonde se déplace le long de la surface de l'échantillon, la pointe de la pointe monte et descend, dessinant le microrelief de la surface, comme une aiguille glissant le long d'un disque. À l'extrémité saillante du porte-à-faux (au-dessus de la pointe), se trouve une zone de miroir sur laquelle le faisceau laser tombe et est réfléchi. Lorsque la pointe descend et monte sur des surfaces inégales, le faisceau réfléchi est dévié et cette déviation est enregistrée par un photodétecteur. Les données du photodétecteur sont utilisées dans un système de rétroaction qui peut fournir soit une distance constante de la pointe par rapport à la surface de l'échantillon, soit une force de pression constante de la pointe sur l'échantillon.

Dans le premier cas, un transducteur piézoélectrique peut enregistrer le mouvement d'un porte-à-faux sautant d'un atome de la surface étudiée à un autre, construisant ainsi en temps réel un relief volumétrique de la surface de l'échantillon. La résolution de ces microscopes est d'environ 0,1 à 1 nm horizontalement et 0,01 nm verticalement. En déplaçant la sonde horizontalement, vous pouvez obtenir une série de reliefs et utiliser un ordinateur pour construire une image tridimensionnelle.

Utilisation de l'AFM depuis le début des années 1990. Des études systématiques de la force de frottement des microsondes lorsqu'elles glissent sur diverses surfaces et de la dépendance de ces forces par rapport à la force de pression sont en cours. Il s'est avéré que pour les sondes en silicium couramment utilisées, la force de frottement de glissement microscopique représente environ 60 à 80 % de la force de pression, qui ne dépasse pas 10 nN. Comme prévu, la force de frottement de glissement augmente avec la taille de la microsonde, car le nombre d'atomes qui l'attirent simultanément augmente. Ainsi, la force de frottement de glissement de la microsonde dépend de la zone de son contact avec la surface, ce qui contredit la loi classique du frottement. Il s'est également avéré que la force de frottement de glissement ne devient pas nulle en l'absence d'une force pressant la microsonde contre la surface. Oui, c'est compréhensible, parce que... Les atomes de surface entourant la microsonde sont si proches de celle-ci qu’ils l’attirent même en l’absence de force de compression externe. Par conséquent, l'hypothèse principale de la loi classique - sur la dépendance directe et proportionnelle de la force de frottement sur la force de compression - n'est pas non plus observée en nanotribologie.

Cependant, toutes ces divergences entre la loi fondamentale et les données de nanotribologie obtenues par AFM peuvent être facilement éliminées. Avec une augmentation de la force appuyant sur le corps coulissant, le nombre de microcontacts augmente, et donc la force totale de frottement de glissement augmente. Il n’y a donc aucune contradiction entre les données nouvellement obtenues et l’ancienne loi.

Dépendance de la force de frottement de glissement de la microsonde sur la force externe N la pressant contre la surface du graphite. Le rayon de courbure de la sonde est de 17 nm (en haut) et 58 nm (en bas). Pour un petit N, la dépendance est non linéaire, et pour un grand N, elle se rapproche de la linéaire (ligne pointillée). Données tirées de l'article de H. Holscher et A. Schwartz (2002)

Pendant longtemps, il a été généralement admis qu'en forçant un corps à glisser sur un autre, on brise les petites inhomogénéités d'un corps, qui s'accrochent aux inhomogénéités de la surface de l'autre, et pour briser ces inhomogénéités, on utilise la force de frottement est nécessaire. Par conséquent, les idées anciennes associent souvent l'apparition de frottements à des dommages aux microsaillies des surfaces frottantes, ce qu'on appelle l'usure. Des études nanotribologiques utilisant l'AFM et d'autres techniques modernes ont montré que des forces de friction entre les surfaces peuvent exister même lorsqu'elles ne sont pas endommagées. La raison de cette force de friction est l’apparition et la rupture constantes de liaisons adhésives entre les atomes en frottement.

Pourquoi la glace est-elle glissante ? Les scientifiques viennent seulement de découvrir pourquoi il est possible de glisser sur la glace. Tout a commencé il y a bien longtemps, en 1849. Les frères James et William Thomson (ce dernier reçut plus tard le titre de Lord Kelvin pour ses grands services) émettent l'hypothèse selon laquelle la glace sous nos pieds fond parce que nous exerçons une pression sur elle. . Et donc on ne glisse plus sur la glace, mais sur le film d'eau formé à sa surface.

En effet, si on augmente la pression, le point de fusion de la glace va diminuer. C'est pourquoi cela se produit. On sait que la densité de la glace est inférieure à la densité de l'eau, et donc, lorsque la glace est comprimée, elle, « essayant » de réduire la déformation provoquée par l'augmentation de la pression, « abaisse » le point de fusion. C'est l'une des manifestations du principe dit de Le Chatelier : une influence extérieure qui éloigne un système de l'équilibre thermodynamique provoque dans celui-ci des processus qui tendent à affaiblir les résultats de cette influence. Des calculs et des expériences ont montré que pour abaisser la température de fonte de la glace d'un degré, il est nécessaire d'augmenter la pression jusqu'à 121 atm (1,22 MPa). Essayons de calculer quelle pression un athlète exerce sur la glace lorsqu'il glisse dessus sur un patin de 20 cm de long et 0,3 cm d'épaisseur. Si nous supposons que la masse de l'athlète est de 75 kg, alors sa pression sur la glace sera d'environ 12 atm. . Ainsi, en patinant, on peut difficilement abaisser la température de fonte de la glace de plus de 1 °C. Cela signifie qu’il est impossible d’expliquer la glisse sur glace en patins, et surtout avec des chaussures ordinaires, selon le principe de Le Chatelier, s’il fait par exemple -10°C dehors par la fenêtre.

En 1939, lorsqu'il devint clair que le caractère glissant de la glace ne pouvait s'expliquer par une diminution de la température de fusion, F. Bowden et T. Hughes suggérèrent que la chaleur nécessaire pour faire fondre la glace sous la crête était fournie par la force de frottement. Cependant, cette théorie ne pouvait pas expliquer pourquoi il était si difficile de se tenir debout sur la glace sans bouger. Depuis le début des années 1950. Les scientifiques ont commencé à croire que la glace est glissante en raison d'une fine pellicule d'eau qui se forme à sa surface pour des raisons inconnues. Seulement à la fin des années 1990. des études sur la manière dont la glace diffuse les rayons X ont en effet montré que sa surface n'est pas une structure cristalline ordonnée, mais plutôt liquide.

Les scientifiques ont expliqué cela par le fait que les molécules d'eau situées à la surface de la glace se trouvent dans des conditions particulières. Les forces qui les obligent à se trouver aux nœuds du réseau hexagonal n'agissent sur eux que par le bas. Par conséquent, il est facile pour les molécules de surface « d'échapper aux conseils » des molécules situées dans le réseau, et si cela se produit, alors plusieurs couches superficielles de molécules d'eau prennent la même décision à la fois. En conséquence, un film de liquide se forme à la surface de la glace, qui sert de bon lubrifiant lors du glissement.

À propos, de fines pellicules de liquide se forment non seulement à la surface de la glace, mais également sur de nombreux autres cristaux. L'épaisseur du film liquide augmente avec l'augmentation de la température, car L’énergie thermique plus élevée des molécules arrache davantage de couches superficielles des réseaux hexagonaux. La présence d’impuretés (molécules autres que l’eau) empêche également les couches superficielles de former des réseaux cristallins. Par conséquent, vous pouvez augmenter l'épaisseur du film liquide en y dissolvant certaines impuretés, par exemple du sel ordinaire. C’est ce que les services publics utilisent lorsqu’ils s’occupent du verglas des routes et des trottoirs en hiver.

Représentation schématique d'une coupe transversale de glace. La disposition aléatoire des molécules d'eau à la surface correspond à un film liquide, et la structure hexagonale dans l'épaisseur correspond à de la glace cristalline. Les cercles gris sont des atomes d'oxygène, les cercles blancs sont des atomes d'hydrogène

Le frottement de roulement est quelque chose de complètement différent. Dans le cas idéal, lorsqu'une roue constituée d'un matériau incompressible roule par inertie sur une surface lisse et indéformable, aucune force de frottement n'agit sur cette roue. La roue, touchant la surface en un point, tourne autour de ce point, puis un autre point devient le point de contact et le centre de rotation, etc. Puisque le point de contact ne bouge pas par rapport à la surface, il n’y a pas de force de frottement de glissement.

Cependant, dans des conditions réelles, le revêtement de la route et le matériau constituant la roue ne sont pas absolument rigides. Considérons d'abord le premier cas. Si vous placez la roue sur une surface molle, appuyez par le haut avec une force P et essayez de la faire avancer avec une vitesse v en la faisant tourner, alors nous rencontrerons une force de résistance au roulement Fk. La roue déforme la surface en dessous, de sorte qu'une bosse apparaît devant, que vous devez surmonter à tout moment. La composante horizontale des forces de réaction de ce tubercule représente la force de frottement de roulement Fк. Les composantes verticales des forces de résistance des tubercules sont compensées par la gravité de la voiture. Puisque la hauteur du tubercule est proportionnelle au poids de la roue (ou de la voiture montée dessus), la force de frottement de roulement Fк est également proportionnelle au poids de la voiture et à la force de réaction de la route N : Fк = kN.

Roulement d'une roue incompressible de rayon R sur une surface incompressible. K est le point de contact et le centre instantané de rotation de la roue à vitesse angulaire, dont le résultat est le mouvement du centre de la roue O avec vitesse

Lorsqu'une roue molle roule sur une route dure, les roues « heurtent » constamment la partie avant de la surface en contact avec la route. Par conséquent, il comprime plus que l'arrière et la force de réaction de l'avant de la roue, dirigée à l'opposé du mouvement, est également plus grande. La force de frottement de roulement est égale à la différence entre les composantes horizontales des forces de réaction des parties avant et arrière de la roue. Puisque la compression de la roue est proportionnelle au poids de la voiture (ou à la force de réaction du support), alors Fк = kN.

L'émergence de la force de frottement lorsqu'une roue dure roule sur une route molle

Les forces de frottement de roulement sont déterminées par la rigidité des matériaux de la roue et du revêtement de la route. Plus la rigidité est grande, moins le frottement de roulement est important. Par conséquent, afin de réduire les coûts de carburant, il est nécessaire de gonfler autant que possible les roues des voitures, ce qui les rend plus rigides. Il suffit de toucher les roues du camion pour s’en convaincre. Une voiture de tourisme a beaucoup moins de pression dans les pneus parce que... avec des roues dures, les passagers ressentiront toutes les bosses de la route. En conséquence, ses pneus sont davantage déformés et la force de frottement de roulement augmente en conséquence.

L'émergence d'une force de friction lorsqu'une roue molle roule sur une route dure. Lorsqu'une roue molle roule, la déformation de ses parties avant est plus importante, ce qui conduit à l'apparition d'une composante horizontale de la force agissant depuis la route et d'une force freinant le mouvement - la force de frottement de roulement

La force nécessaire pour vaincre le frottement de roulement est proportionnelle au poids de la voiture et, d'une manière générale, ne dépend pas de sa vitesse. Pour mesurer cette force, placez la voiture sur une route plane, mettez le levier de vitesses au point mort (débranchez les roues du moteur) et coupez le contact. Après cela, attachez un câble à la voiture et fixez-y une balance à ressort. En appliquant une force sur le câble, essayez de déplacer la voiture et de la tirer uniformément. En même temps, votre assistant doit examiner les lectures de la balance et les noter. Si vous n'avez pas de balance à ressort, vous pouvez utiliser une balance domestique pour peser la personne. Vous pouvez pousser la voiture avec de tels poids, en les utilisant comme entretoise. La force de frottement de roulement pour une voiture pesant 1 000 kg est en moyenne d'environ 100 N.

Pour le transport sur de très longues distances, des chemins de fer ont été construits, où une roue en fer roule sur un rail en fer avec un très faible coefficient de frottement de roulement. Les trains ralentissent, mais leur exploitation est très rentable.

« Physique - 10e année"

Rappelez-vous ce qu'est la friction.
À quels facteurs est-ce dû ?
Pourquoi la vitesse de déplacement du bloc sur la table change-t-elle après une poussée ?

Un autre type de force traité en mécanique est celui des forces de frottement. Ces forces agissent le long des surfaces des corps lorsqu'ils sont en contact direct.

Les forces de friction empêchent dans tous les cas le mouvement relatif des corps en contact. Dans certaines conditions, les forces de frottement rendent ce mouvement impossible. Cependant, ils ne ralentissent pas seulement le mouvement des corps. Dans un certain nombre de cas pratiquement importants, le mouvement d'un corps ne pourrait se produire sans l'action des forces de frottement.

La friction qui se produit lors du mouvement relatif des surfaces en contact des corps solides est appelée frottement sec.

Il existe trois types de frottement sec : le frottement statique, le frottement de glissement et le frottement de roulement.

Reste les frictions.

Essayez de déplacer un livre épais posé sur la table avec votre doigt. Vous lui appliquez une certaine force, dirigée le long de la surface de la table, et le livre reste au repos. Par conséquent, une force apparaît entre le livre et la surface de la table, dirigée à l'opposé de la force avec laquelle vous agissez sur le livre, et exactement égale en ampleur. C'est la force de frottement tr. Vous poussez le livre avec plus de force, mais il reste toujours en place. Cela signifie que la force de frottement tr augmente du même montant.

La force de frottement agissant entre deux corps immobiles l'un par rapport à l'autre est appelée force frottement statique.

Si un corps est soumis à une force parallèle à la surface sur laquelle il se trouve et que le corps reste immobile, cela signifie qu'il est soumis à une force de frottement statique tr, égale en grandeur et dirigée dans la direction opposée à celle du corps. force (Fig. 3.22). Par conséquent, la force de frottement statique est déterminée par la force agissant sur elle :

Si la force agissant sur un corps au repos dépasse même légèrement la force maximale de frottement statique, alors le corps commencera à glisser.

La plus grande valeur de la force de frottement, à laquelle le glissement ne se produit pas encore, est appelée force de friction statique maximale.

Pour déterminer la force de frottement statique maximale, il existe une loi quantitative très simple, mais peu précise. Qu'il y ait un bloc sur la table avec un dynamomètre attaché. Faisons la première expérience. Tirons l'anneau du dynamomètre et déterminons la force de friction statique maximale. Le bloc est soumis à l'action de la force de gravité m, de la force de réaction normale du support 1, de la force de tension 1, des ressorts du dynamomètre et de la force de friction statique maximale tr1 (Fig. 3.23).

Plaçons un autre bloc similaire sur le bloc. La force de pression des barres sur la table augmentera de 2 fois. Selon la troisième loi de Newton, la force de réaction normale du support 2 augmentera également de 2 fois. Si l'on mesure à nouveau la force de frottement statique maximale, on verra qu'elle a augmenté autant de fois que la force 2 a augmenté, soit 2 fois.

En continuant à augmenter le nombre de barres et en mesurant à chaque fois la force maximale de frottement statique, nous serons convaincus que

>la valeur maximale du module de la force de frottement statique est proportionnelle au module de la force de réaction normale du support.

Si l'on note le module de la force de frottement statique maximale par F tr. max, alors on peut écrire :

F tr. max = µN (3.11)

où μ est un coefficient de proportionnalité appelé coefficient de frottement. Le coefficient de frottement caractérise les deux surfaces frottantes et dépend non seulement du matériau de ces surfaces, mais également de la qualité de leur traitement. Le coefficient de frottement est déterminé expérimentalement.

Cette dépendance a été établie pour la première fois par le physicien français C. Coulomb.

Si vous placez le bloc sur la plus petite face, alors F tr. le maximum ne changera pas.

La force de frottement statique maximale ne dépend pas de la zone de contact entre les corps.

La force de frottement statique varie de zéro à une valeur maximale égale à µN. Qu'est-ce qui peut provoquer une modification de la force de friction ?

Le point ici est le suivant. Lorsqu'une certaine force est appliquée sur un corps, celui-ci se déplace légèrement (imperceptiblement à l'œil), et ce déplacement se poursuit jusqu'à ce que les rugosités microscopiques des surfaces se positionnent les unes par rapport aux autres de telle manière qu'en s'accrochant les unes aux autres, elles vont conduire à l’apparition d’une force qui équilibre la force. À mesure que la force augmente, le corps bougera à nouveau légèrement, de sorte que les plus petites irrégularités de la surface s'accrocheront différemment et que la force de frottement augmentera.

Et seulement à > F tr. max, quelle que soit la position relative des aspérités de la surface, la force de frottement ne parvient pas à équilibrer la force et le glissement commencera.

La dépendance du module de force de frottement de glissement sur le module de force agissant est représentée sur la figure 3.24.

Lors de la marche et de la course, la plante des pieds est soumise à un frottement statique, à moins que les pieds ne glissent. La même force agit sur les roues motrices de la voiture. Les roues motrices sont également sollicitées par une force de frottement statique, mais cette fois freinant le mouvement, et cette force est nettement inférieure à la force agissant sur les roues motrices (sinon la voiture ne pourrait pas bouger).

Pendant longtemps, on a douté qu'une locomotive à vapeur puisse rouler sur des rails lisses. Ils pensaient que la friction freinant les roues motrices serait égale à la force de friction agissant sur les roues motrices. Il a même été proposé d'engrenager les roues motrices et de leur poser des rails d'engrenage spéciaux.

Frottement de glissement.

Lors du glissement, la force de frottement dépend non seulement de l'état des surfaces frottantes, mais également de la vitesse relative des corps, et cette dépendance à la vitesse est assez complexe. L'expérience montre que souvent (mais pas toujours) au tout début du glissement, lorsque la vitesse relative est encore faible, la force de frottement devient légèrement inférieure à la force de frottement statique maximale. Ce n'est qu'alors, à mesure que la vitesse augmente, qu'elle augmente et commence à dépasser F tr. maximum.

Vous avez probablement remarqué qu'un objet lourd, comme une boîte, est difficile à déplacer, mais le déplacer devient alors plus facile. Ceci s'explique précisément par la diminution de la force de frottement lorsque le glissement se produit à faible vitesse (voir Fig. 3.24).

À des vitesses relatives de mouvement pas trop élevées, la force de frottement de glissement diffère peu de la force de frottement statique maximale. Par conséquent, elle peut être approximativement considérée comme constante et égale à la force de frottement statique maximale :

F tr ≈ F tr. max = μN.

La force de friction de glissement peut être réduite plusieurs fois en utilisant un lubrifiant - le plus souvent une fine couche de liquide (généralement un type d'huile minérale) - entre les surfaces de frottement.

Aucune machine moderne, comme un moteur de voiture ou de tracteur, ne peut fonctionner sans lubrification. Un système de lubrification spécial est prévu dans la conception de toutes les machines.

Le frottement entre les couches de liquide adjacentes aux surfaces solides est bien moindre qu’entre les surfaces sèches.

Frottement de roulement.

La force de friction de roulement est nettement inférieure à la force de friction de glissement, il est donc beaucoup plus facile de faire rouler un objet lourd que de le déplacer.

La force de frottement dépend de la vitesse relative des corps. C'est sa principale différence avec les forces de gravité et d'élasticité, qui dépendent uniquement des distances.

Forces de résistance lors du mouvement de corps solides dans des liquides et des gaz.

Lorsqu’un corps solide se déplace dans un liquide ou un gaz, il est soumis à la force de traînée du milieu. Cette force est dirigée contre la vitesse du corps par rapport au milieu et ralentit le mouvement.

La principale caractéristique de la force de traînée est qu’elle n’apparaît qu’en présence de mouvements relatifs du corps et de l’environnement.
La force de frottement statique dans les liquides et les gaz est totalement absente.

Cela conduit au fait qu'avec l'effort de vos mains, vous pouvez déplacer un corps lourd, par exemple un bateau flottant, alors que déplacer, par exemple, un train avec vos mains est tout simplement impossible.

Le module de la force de résistance F c dépend de la taille, de la forme et de l'état de la surface du corps, des propriétés du milieu (liquide ou gaz) dans lequel le corps se déplace et, enfin, de la vitesse relative de déplacement de le corps et le médium.

La nature approximative de la dépendance du module de la force de résistance sur le module de la vitesse relative du corps est illustrée à la figure 3.25. A une vitesse relative égale à zéro, la force de traînée n'agit pas sur le corps (F c = 0). À mesure que la vitesse relative augmente, la force de traînée augmente d’abord lentement, puis de plus en plus vite. Aux faibles vitesses de mouvement, la force de résistance peut être considérée comme directement proportionnelle à la vitesse de mouvement du corps par rapport au milieu :

F c = k 1 υ, (3.12)

où k 1 est le coefficient de résistance, en fonction de la forme, de la taille, de l'état de la surface du corps et des propriétés du milieu - sa viscosité. Il n'est pas possible de calculer théoriquement le coefficient k 1 pour des corps de forme complexe ; il est déterminé expérimentalement.

À des vitesses de mouvement relatif élevées, la force de traînée est proportionnelle au carré de la vitesse :

F c = k 2 υ 2 , υ, (3.13)

où k 2 est le coefficient de résistance différent de k 1 .

Laquelle des formules - (3 12) ou (3.13) - peut être utilisée dans un cas particulier est déterminée expérimentalement. Par exemple, pour une voiture particulière, il est conseillé d'utiliser la première formule à environ 60-80 km/h à des vitesses plus élevées, la deuxième formule doit être utilisée.

Il existe de nombreux phénomènes physiques dans le monde qui nous entoure : le tonnerre et les éclairs, la pluie et la grêle, le courant électrique, la friction... Notre reportage d'aujourd'hui est consacré à la friction. Pourquoi le frottement se produit-il, qu'est-ce que cela affecte, de quoi dépend la force de frottement ? Et enfin, la friction est-elle amie ou ennemie ?

Qu'est-ce que la force de frottement ?

Après avoir couru un peu, vous pouvez vous lancer sur le chemin glacé. Mais essayez de le faire sur de l'asphalte ordinaire. Cependant, cela ne vaut pas la peine d’essayer. Rien ne s'arrangera. Le coupable de votre échec sera une force de friction très importante. Pour la même raison, il est difficile de déplacer une table massive ou, par exemple, un piano.

Au point de contact de deux corps, une interaction se produit toujours, ce qui empêche le mouvement d'un corps à la surface d'un autre. C'est ce qu'on appelle le frottement. Et l’ampleur de cette interaction est la force de friction.

Types de forces de friction

Imaginons que vous deviez déplacer une armoire lourde. Votre force n’est clairement pas suffisante. Augmentons la force de « cisaillement ». En même temps, la force de friction augmente paix. Et il est dirigé dans la direction opposée au mouvement du meuble. Finalement, la force de « cisaillement » « gagne » et le cabinet s’éloigne. Maintenant, la force de friction prend tout son sens glisser. Mais elle est inférieure à la force de friction statique et il est beaucoup plus facile de déplacer l'armoire plus loin.

Bien sûr, vous avez dû observer comment 2 ou 3 personnes faisaient rouler une voiture lourde avec un moteur soudainement calé. Les personnes qui poussent la voiture ne sont pas des hommes forts, la force de friction agit simplement sur les roues de la voiture. roulant. Ce type de friction se produit lorsqu’un corps roule sur la surface d’un autre. Une bille, un crayon rond ou à facettes, les roues d'un train, etc. peuvent rouler. Ce type de frottement est bien inférieur à la force de frottement de glissement. Il est donc très facile de déplacer des meubles lourds s’ils sont équipés de roulettes.

Mais, dans ce cas, la force de friction est dirigée contre le mouvement du corps, elle réduit donc la vitesse du corps. S'il n'y avait pas son « caractère nocif », après avoir accéléré sur un vélo ou des patins à roulettes, vous pourriez profiter de la balade indéfiniment. Pour la même raison, une voiture dont le moteur est éteint se déplacera par inertie pendant un certain temps puis s'arrêtera.

N’oubliez donc pas qu’il existe 3 types de forces de friction :

frottement de glissement ;
frottement de roulement ;
frottement statique.

La vitesse à laquelle la vitesse change est appelée accélération. Mais comme la force de frottement ralentit le mouvement, cette accélération aura un signe moins. Il serait correct de dire Sous l’influence du frottement, un corps se déplace avec décélération.

Quelle est la nature du frottement

Si vous examinez la surface lisse d'une table polie ou d'une glace à la loupe, vous verrez de minuscules aspérités auxquelles s'accroche un corps glissant ou roulant le long de sa surface. Après tout, un corps se déplaçant le long de ces surfaces présente également des saillies similaires.

Aux points de contact, les molécules se rapprochent tellement qu’elles commencent à s’attirer. Mais le corps continue de bouger, les atomes s’éloignent les uns des autres, les liens entre eux se rompent. Cela fait vibrer les atomes libérés de l’attraction. À peu près de la même manière qu’un ressort libéré de sa tension oscille. Nous percevons ces vibrations des molécules comme un échauffement. C'est pourquoi le frottement s'accompagne toujours d'une augmentation de la température des surfaces en contact.

Cela signifie qu'il y a deux raisons à l'origine de ce phénomène :

irrégularités à la surface des corps en contact ;
forces d’attraction intermoléculaire.

De quoi dépend la force de frottement ?

Vous avez probablement remarqué le freinage brusque d'un traîneau lorsqu'il glisse sur une zone sablonneuse. Et une autre observation intéressante : lorsqu’il y a une personne sur le traîneau, elle descend la colline dans un sens. Et si deux amis glissent ensemble, le traîneau s'arrêtera plus vite. La force de frottement vaut donc :

dépend du matériau des surfaces en contact ;
de plus, la friction augmente avec l'augmentation du poids corporel ;
agit dans le sens opposé au mouvement.

La merveilleuse science de la physique est également bonne dans le sens où de nombreuses dépendances peuvent être exprimées non seulement par des mots, mais également sous la forme de signes spéciaux (formules). Pour la force de frottement, cela ressemble à ceci :

Ftr = kN Où:

Ftr - force de friction.

k - coefficient de frottement, qui reflète la dépendance de la force de frottement sur le matériau et la propreté de son traitement. Disons que si du métal roule sur du métal k=0,18, si vous patinez sur de la glace k=0,02 (le coefficient de frottement est toujours inférieur à un) ;

N est la force agissant sur le support. Si le corps est sur une surface horizontale, cette force est égale au poids du corps. Pour un plan incliné, le poids est moindre et dépend de l'angle d'inclinaison. Plus le toboggan est raide, plus il est facile de descendre et plus vous pouvez rouler longtemps.

Et, en calculant la force de frottement statique du meuble à l'aide de cette formule, nous découvrirons quelle force doit être appliquée pour le déplacer de son emplacement.

Travail de force de frottement

Si une force agit sur un corps, sous l'influence de laquelle le corps se déplace, alors le travail est toujours effectué. Le travail de la force de frottement a ses propres caractéristiques : après tout, elle ne provoque pas le mouvement, mais l'empêche. Par conséquent, le travail qu’il effectue est sera toujours négatif, c'est-à-dire avec un signe moins, quelle que soit la direction dans laquelle le corps bouge.

La friction est amie ou ennemie

Les forces de friction nous accompagnent partout, apportant des dommages tangibles et... d'énormes bénéfices. Imaginons que les frictions aient disparu. Un observateur étonné verrait comment les montagnes s'effondrent, les arbres sont arrachés d'eux-mêmes, les vents d'ouragan et les vagues de la mer dominent sans cesse la terre. Tous les corps glissent quelque part, le transport se désagrège, puisque les boulons ne remplissent pas leur rôle sans friction, un monstre invisible aurait défait tous les lacets et tous les nœuds, les meubles, non retenus par les forces de friction, ont glissé dans le coin le plus bas de la pièce.

Essayons de nous échapper, d'échapper à ce chaos, mais sans frictions Nous ne pourrons pas faire un seul pas. Après tout, c’est la friction qui nous aide à décoller du sol lorsque nous marchons. On comprend désormais pourquoi les routes glissantes sont recouvertes de sable en hiver...

Et en même temps, les frictions causent parfois des dommages importants. Les gens ont appris à réduire et à augmenter les frictions, et en tirent d’énormes bénéfices. Par exemple, les roues ont été inventées pour traîner de lourdes charges, remplaçant le frottement de glissement par le roulement, qui est nettement inférieur au frottement de glissement.

Parce qu'un corps qui roule n'a pas besoin de capter de nombreuses petites irrégularités de surface, comme lorsque les corps glissent. Ensuite, les roues ont été équipées de pneus à sculpture profonde (bandes de roulement).

Avez-vous remarqué que tous les pneus sont en caoutchouc et noirs ?

Il s'avère que le caoutchouc maintient bien les roues sur la route, et le charbon ajouté au caoutchouc lui donne une couleur noire ainsi que la rigidité et la résistance nécessaires. De plus, en cas d'accident sur la route, il permet de mesurer la distance de freinage. Après tout, lors du freinage, les pneus laissent une marque noire claire.

Si nécessaire, réduisez la friction, utilisez des huiles lubrifiantes et du lubrifiant sec au graphite. Une invention remarquable a été la création de différents types de roulements à billes. Ils sont utilisés dans une grande variété de mécanismes, des vélos aux avions les plus récents.

Y a-t-il des frictions dans les liquides ?

Lorsqu’un corps est immobile dans l’eau, il n’y a pas de friction avec l’eau. Mais dès qu'il commence à bouger, des frictions apparaissent, c'est-à-dire L'eau résiste au mouvement des corps qui s'y trouvent.

Cela signifie que le rivage, créant des frictions, « ralentit » l'eau. Et comme le frottement de l'eau sur le rivage réduit sa vitesse, il ne faut pas nager au milieu de la rivière, car le courant y est beaucoup plus fort. Les poissons et les animaux marins sont façonnés de telle manière que la friction de leur corps contre l'eau est minime.

Les concepteurs donnent la même rationalisation aux sous-marins.

Notre connaissance d'autres phénomènes naturels se poursuivra. A bientôt, les amis !

Si ce message vous a été utile, je serais ravi de vous revoir

Définition 1

La force de frottement représente la force qui apparaît au moment du contact de deux corps et empêche leur mouvement relatif.

La principale raison qui provoque le frottement réside dans la rugosité des surfaces frottantes et l'interaction moléculaire de ces surfaces. La force de frottement dépend du matériau des surfaces en contact et de la force de leur pression mutuelle.

Notion de force de friction

Sur la base de modèles simples de frottement (basés sur la loi de Coulomb), la force de frottement sera considérée comme directement proportionnelle au degré de réaction normale des surfaces en contact et frottantes. Si nous les considérons dans leur ensemble, les processus de force de frottement ne peuvent être décrits uniquement par de simples modèles de mécanique classique, ce qui s'explique par la complexité des réactions dans la zone d'interaction des corps frottants.

Les forces de friction, comme les forces élastiques, sont de nature électromagnétique. Leur apparition devient possible grâce à l'interaction entre les molécules et les atomes des corps qui entrent en contact.

Note 1

Les forces de friction diffèrent des forces élastiques et gravitationnelles par le fait qu'elles dépendent non seulement de la configuration des corps (de leur position relative), mais aussi des vitesses relatives de leur interaction.

Types de force de frottement

À condition qu'il y ait un mouvement relatif de deux corps en contact l'un avec l'autre, les forces de frottement résultant d'un tel processus sont divisées en les types suivants :

Frottement de glissement (représente une force qui résulte du mouvement de translation de l'un des corps en interaction par rapport au second et agissant sur ce corps dans un sens opposé au sens de glissement).
Frottement de roulement (représente le moment de force qui peut survenir dans les conditions du processus de roulement de l'un des deux corps en contact avec l'autre).
Frottement statique (considéré comme une force qui surgit entre deux corps en interaction, et qui devient un obstacle sérieux à l'apparition d'un mouvement relatif. Une telle force est surmontée afin de mettre ces corps en contact en mouvement les uns par rapport aux autres. Ce type de frottement apparaît lors de micro-mouvements (par exemple lors d'une déformation) des corps en contact, à mesure que les forces augmentent, la force de frottement augmentera également.
Frottement de rotation (est un moment de force qui apparaît entre des corps en contact dans des conditions de rotation de l'un d'eux par rapport à l'autre et dirigé contre la rotation). Déterminé par la formule : $M=pN$, où $N$ est la pression normale, $p$ est le coefficient de frottement de rotation, qui a la dimension de la longueur.

L'indépendance de la force de frottement par rapport à la surface sur laquelle le contact des corps est observé et la proportionnalité de la force de pression normale avec laquelle un corps agira sur le second ont été établies expérimentalement.

Définition 2

Une valeur constante représente le coefficient de frottement, qui dépend de la nature et de l'état des surfaces frottantes.

Dans certaines situations, la friction est bénéfique. On peut donner des exemples de l'impossibilité de la marche humaine (en l'absence de frottement) et de la circulation des véhicules. Dans le même temps, la friction peut également avoir un effet néfaste. Ainsi, cela provoque une usure des pièces en contact des mécanismes et une consommation supplémentaire de carburant pour les véhicules. Divers lubrifiants (coussins d'air ou de liquide) servent à contrecarrer ce phénomène. Une autre méthode efficace consiste à remplacer le glissement par le roulement.

Formules de calcul de base pour déterminer la force de frottement

La formule de calcul de la force de frottement lors du glissement ressemblera à ceci :

$m$-coefficient de proportionnalité (frottement de glissement),
$Р$ – force de pression verticale (normale).

La force de frottement de glissement représente l’une des forces contrôlant le mouvement, et sa formule s’écrit en utilisant la force de réaction d’appui. Sur la base de l'action de la troisième loi de Newton, les forces de pression normales, ainsi que la réaction d'appui, s'avèrent être égales en ampleur et opposées en direction :

Avant de déterminer la force de frottement dont la formule s'écrira comme suit : $F=mN$, on détermine la force de réaction.

Note 2

Le coefficient de résistance pendant le processus de glissement est introduit expérimentalement pour les surfaces frottantes et dépendra du matériau et de la qualité du traitement.

La force de friction statique maximale est déterminée de la même manière que la force de friction de glissement. Ceci est important pour résoudre les problèmes de détermination de la force de résistance motrice. Un exemple peut être donné d'un livre déplacé par une main pressée dessus. Ainsi, le coulissement de ce livre s'effectuera sous l'influence de la force de résistance statique entre le livre et la main. Dans ce cas, le degré de résistance dépendra de la force de pression verticale exercée sur le livre.

Un fait intéressant sera que la force de frottement est proportionnelle au carré de la vitesse correspondante et que sa formule changera en fonction de la vitesse de déplacement des corps en interaction. Cette force inclut la force de résistance visqueuse dans un liquide.

En fonction de la vitesse de déplacement, la force de résistance sera déterminée par la vitesse de déplacement, la forme du corps en mouvement ou encore la viscosité du liquide. Le mouvement d’un même corps dans l’huile et l’eau s’accompagne de résistances de différentes ampleurs. Pour les basses vitesses, cela ressemble à ceci :

$k$ – coefficient de proportionnalité, en fonction des dimensions linéaires du corps et des propriétés de l'environnement,
$v$ est la vitesse du corps.