FROTTEMENT

-frottement

LE FROTTEMENT (synonyme friction) est une force s’opposant aux mouvements d’un corps en contact avec un autre. Il intervient dans l’amortissement et l’oscillation.

Un frottement est dit sec, si le contact est direct entre les 2 corps (sans lubrifiant).

Voir par ailleurs les frottements en milieux visqueux (en fluides)

Dimensions  : L.M.T-2        Symbole  : Findicé        Unité S.I.+ : le Newton (N)

Autre unité : 1 kilogramme poids (ou kilogramme-force) vaut 9,806.N

 

FROTTEMENT de GLISSEMENT

-frottement statique

Un corps reposant sur un autre et sollicité au glissement par une force Ff tangentielle à leur surface de contact, ne commence son glissement qu'à partir d’une valeur de Ff dite "frottement statique"

Ff = Fn.yf

Fn= composante de la force d’application, normale à la surface de contact (en général, Fn est le poids)

yf(nombre)= coefficient de frottement statique

Ce coefficient, si le glissement est fait sur un plan incliné, est y= tg θ

avec θ(rad)= angle du plan incliné avec l’horizontale (θ est dit "angle de frottement")

Le coefficient de frottement statique yf  a les valeurs approchées ci-après

A sec : métal sur métal(0,15 à 0,30)--métal sur bois( 0,50 à 0,60)--bois sur bois(0,40 à 0,60)--pneu sur route(0,90)--caoutchouc sur verre(0,10)-- semelle sur sol(0,70)-- courroies sur métal(0,60)--garniture de frein sur acier(0,40)

S'il y a lubrification, les valeurs ci-dessus deviennent  #  1/3 de ci-dessus (pour surfaces rugueuses), 1/2 (pour surfaces moyennes) et 2/3 (pour surfaces lisses)

 

-frottement cinétique: quand le mouvement du corps glissant est en cours, il y a toujours la force de frottement Fc (mais plus faible que ci-dessus)

Elle est dénommée frottement cinétique et vaut : F= Fn.yκ     

où yκ(nombre)= coefficient de frottement cinétique

Ce coefficient de frottement cinétique yκ a les valeurs approchées ci-après:

A sec : métal sur métal(0,10 à 0,25)--métal sur bois( 0,20 à 0,50)--bois sur bois(0,20 à 0,50)--pneu sur route(0,60)--semelle sur sol(0,30)--courroies sur métal(0,45)-- garniture frein sur acier(0,55)

S'il y a lubrification, les valeurs ci-dessus deviennent # à 1/10 de ci-dessus (pour surfaces rugueuses), 1/5 (pour surfaces moyennes) et 1/3 (pour surfaces lisses)

Les articulations du corps humain (lubrifiées) ont un coefficient de frottement de 0,02

La suprafriction existe dans certaines réalisations (métal/métal) avec un coefficient yκ pouvant descendre jusqu'à une valeur de quelques millièmes (exemple d'un quasi-cristal carboné, déposé sur un métal, avec lubrifiant glycérolé)

 

-usure due à frottement

La formule d'Archard donne l'usure par frottement (statique)

V = K.F.l / p   où V(m3)= volume usé

K(nombre) = constante de caractéristiques du matériau

l(m)= longueur de glissement

F(N)= force normale au contact

p(N/m²)= pression de contact

 

FROTTEMENT de ROULEMENT

On cherche ici à évaluer l'échappée au frottement par la rotation du corps

La force de frottement (qui est ici celle déclenchant le mouvement de rotation d’un corps disposé pour rouler sur un autre) vaut :

F= Fn.(l/ lr)

Fr(N)= force de frottement (de roulement)

Fn(N)= composante de réaction, normale à la surface de contact

lr(m)= rayon de rotation du solide en rotation par rapport à l’autre

lc(m)= coefficient de frottement de roulement

(et lc= Mf / Fn, où Mf est le moment de la force de frottement)

Le coefficient de frottement de roulement lc (qui a la dimension d’une longueur), augmente avec la vitesse de déplacement relative entre les 2 corps

Ses valeurs approximatives (exprimées en mètre) sont :

-pour faibles vitesses: -métal sur métal(=10-6) -bois sur bois(= 5.10-4) -

pneu sur revêtement routier(=10-4)

-pour vitesses plus importantes: -métal sur métal= 10-5 -

-bois sur bois= 5.10-3 -- pneu sur revêtement sec = 2.10-4 (et 5 fois moins sur revêtement glacé)

 

-cas du roulement sur poulie d’une courroie soumise à une charge

F= Ft.(en-1)

Fr(N)= force de frottement de roulement

Ft(N)= force (charge) à haver

e = nombre d’Euler (= 2,71828...)

n(nombre)= ls / lc  avec lc(m)= coefficient de frottement de roulement

ls(m)= arc sous-tendu sur la poulie, entre les 2 brins de la courroie

 

FROTTEMENT de PIVOTEMENT

Le coefficient de frottement de pivotement est plus faible que celui de roulement

(il n'y a pas -ou peu- de pesanteur)

 

TRAVAIL de FROTTEMENT

Les forces de frottement sont dissipatives (dissipation sous forme de chaleur)

Le frottement (concernant les solides) produit un travail W(J) tel que

W = F.l       ou   W = Fn.l.yf

F(N)= force de frottement

l(m)= déplacement

yf(nombre)= coefficient de frottement

Fn(N)= composante de la force appliquée, normale à la surface de contact

Ce travail est donc transformé en chaleur >>

-exemple d'un surfeur sur neige, qui descend une pente en transformant # tout le travail (W) produit pour chauffer la neige

-autre exemple d'une navette spatiale qui rentre dans l'atmosphère en réduisant sa vitesse (de 28.000 à 400 km/h) et dont la totalité de travail alors produit (1 TéraJoule, soit 1 GigaWatt pendant ¼ d'heure) sert à chauffer l'atmosphère (et un peu la capsule)

 

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