Physique p1018

La force de frottement

La force de frottement est une force créée par l’interaction de deux surfaces en contact qui glissent l’une sur l’autre et qui s’oppose au mouvement.

Le frottement est causé par les irrégularités d'une surface. Bien qu'une surface puisse paraître lisse à l'oeil nu, des petites aspérités (des irrégularités) sont présentes sur la surface d'un objet lorsqu'on le regarde au microscope.

Il existe différents facteurs influençant la force de frottement. Il faut considérer les types de surface qui sont en contact. Des surfaces lisses offrent généralement moins de frottement que des surfaces rugueuses.

Deux blocs de bois créent une force de frottement plus faible qu'un morceau de bois et du papier sablé.

Il faut également considérer la force normale. Cette force est en lien direct avec la force gravitationnelle, puisqu'elle est généralement en action-réaction. Plus la force normale est grande, plus la force de frottement sera grande.
Un objet sur une surface plane ayant une masse de 5 kg a une force normale plus élevée qu'un objet de forme semblable sur la même surface plane ayant une masse de 1 kg, car la force normale créée est plus grande pour le premier objet que le deuxième.Puisque la force de frottement est une force qui s'oppose au mouvement d'un objet, elle se calcule en déterminant la différence entre la force motrice et la force résultante.

La force de frottement se calcule par la formule suivante:
Ff=FmFR

Ff représente la force de frottement (N)
Fm représente la force motrice (N)
FR représente la force résultante (N)

Les types de frottement

Le frottement statique est la force de frottement empêchant un objet de se mettre en mouvement.
Le frottement cinétique est la force de frottement présente lorsqu'un objet est en mouvement sur un autre objet.
Le frottement statique est un synonyme d'adhérence. Dans ce cas, la force de frottement statique empêche le glissement (ou le mouvement entre les deux objets). Lorsqu'un objet se met en mouvement, ceci signifie que la force motrice exercée sur un objet est supérieure à la force de frottement statique. Lorsque l'objet se déplace, la force de frottement cinétique est égale à la force motrice nécessaire pour garder un objet à vitesse constante. Ainsi, un objet immobile sur lequel on exerce une force motrice offre au départ un frottement statique, mais dès que l'objet se met en mouvement, la force de frottement est cinétique.

p1018i2.JPG 

Le graphique ci-dessus démontre ce qui se produit lorsqu'un objet immobile est mis en mouvement. Tout d'abord, la force de frottement est statique, car l'objet est immobile. Dès que la force de traction appliquée devient supérieure à la force de frottement statique (Fm>Fs), l'objet se met en mouvement. La force de frottement diminue rapidement (une phase qu'on appelle glissement adhérent) pour ensuite devenir constante. La force de frottement, maintenant cinétique, est égale à la force de traction appliquée (Fm=Fk), ce qui permet de conserver l'état de mouvement de l'objet.

Les coefficients de frottement

Le coefficient de frottement statique (μs) est un rapport entre la force de frottement statique d'un objet et la force normale.
Le coefficient de frottement cinétique (μk) est un rapport entre la force de frottement cinétique d'un objet et la force normale.
Les coefficients de frottement sont des valeurs constantes qui ont été établies expérimentalement et ne dépendent que des surfaces en contact. Il existe des tableaux de référence pour déterminer les coefficients statiques et cinétiques des matériaux.  Voici quelques coefficients utiles.

Coefficients de frottement statique et cinétique entre diverses surfaces

​Matériaux ​Coefficient statique (μs)
Coefficient cinétique (μk)
​Velcro-Velcro6,05,9
​Aluminium-Aluminium1,41,2
​Verre-Verre1,00,40
​Caoutchouc-Béton sec
1,00,7
​Caoutchouc-Béton mouillé
0,600,50
​Caoutchouc-Asphalte0,850,67
​Acier-Acier0,750,57
​Cuir-Bois0,610,52
​Bois-Bois0,580,40
​Cuivre-Acier0,530,36
​Ski-Neige0,140,05
​Acier-Glace0,100,05

Ces coefficients permettent de déterminer la force de frottement exercée sur un objet, qu'il soit immobile ou en mouvement.

L’équation qui permet de calculer une force de frottement est la suivante:
Ff=μFN

Ff représente la force de frottement (N)
μ représente le coefficient de frottement (aucune unité)
FN représente la force normale (N)

On essaie de mettre en mouvement une caisse de bois ayant un poids de 300N sur un plancher de bois franc, et ce avec une force de 200N.  La caisse se mettra-t-elle en mouvement ? Si elle se met en mouvement, quelle sera la force de frottement cinétique ?

p1018i3.JPG 
(source de l'image de la caisse de bois)

Premièrement, il faut déterminer la force de frottement statique maximale.  Pour ce faire, il faut préalablement déterminer la force normale. Or, comme la caisse exerce une force de 300N vers le bas à cause de la force gravitationnelle, le sol réagira en exerçant une force de 300N vers la caisse, ce qui représentera la force normale. Le tableau ci-dessus nous indique que le coefficient de frottement statique entre le bois et le bois est de 0,58.

Ffs=μsFNFfs=0,58300N=174N


La force de 200N est donc suffisante pour mettre la caisse en mouvement malgré le frottement.

Pour déterminer la force de frottement cinétique, la formule est la même: toutefois, il faut utiliser le coefficient de frottement cinétique de 0,40.

Ffk=μkFNFfk=0,40300N=120N

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