Frottement

Les effets de la friction sont facilement observables dans les activités quotidiennes, et pourtant les mécanismes physiques qui régissent la friction peuvent être complexes.

Le frottement est une force qui s’oppose au mouvement d’un objet lorsqu’il est en contact avec une surface. Au niveau microscopique, elle est causée par la rugosité de surface des matériaux en contact et les interactions intermoléculaires. Mais on peut surmonter cette force par l’application d’une force externe d’intensité égale.

L’objectif de cette vidéo est de démontrer comment mesurer le frottement en laboratoire pour des objets glissant horizontalement ou le long d’un plan incliné.

Avant de plonger dans le protocole, revisitons les concepts derrière la force de frottement. Tout d’abord, vous devez savoir qu’il existe deux types de frottements : le frottement cinétique et le frottement statique.

Pour comprendre la friction cinétique, imaginez que vous êtes dans un tube en caoutchouc glissant sur un champ horizontal infini de glace.

Bien que la glace puisse être considérée comme une surface lisse, si nous regardons au niveau microscopique, il existe des interactions complexes entre les deux surfaces qui provoquent des frottements. Ces interactions dépendent de la rugosité de la surface et des forces intermoléculaires attractives.

L’intensité de cette force de frottement cinétique est égale au produit du coefficient de frottement cinétique, ou ? K, qui dépend de la combinaison matériau-surface, et de la force normale, ou Fnorm qui pousse l’objet et la surface ensemble.

Fnorm agit pour soutenir l’objet et est perpendiculaire à l’interface. Dans ce cas, puisque le tube est sur un sol plat, le Fnorm est égal et opposé à la force de gravité, qui est mg. Par conséquent, si vous connaissez la masse combinée de U avec le tube et le coefficient de frottement cinétique pour le caoutchouc et la glace, nous pouvons facilement calculer la force de frottement.

Le frottement cinétique peut convertir une partie de l’énergie cinétique du tube en chaleur et réduira également l’élan du tube, le mettant finalement au repos.

Maintenant, c’est à ce moment-là que le frottement statique - l’autre type de frottement - entre en jeu. Cette force de frottement s’oppose au mouvement d’un objet statique et pourrait être calculée en appliquant une force externe. La force appliquée qui finit par déplacer l’objet révèle la force statique maximale.

La formule de la force statique maximale est la même que celle du frottement cinétique, mais le coefficient de frottement statique ? S est généralement supérieur à ? K pour la même combinaison matériau-surface.

Une autre façon de surmonter la force statique maximale est d’augmenter la pente de la surface. À un certain angle, appelé angle de repos ou ? R, la force qui tire vers le bas de la pente sera égale à la force de frottement statique et le tube commencera à glisser. Cette force de traction, qui est le sinus de l’angle de repos multiplié par la force de gravité, est égale à la force statique maximale, qui est de ? S fois le produit de m, g et le cosinus de ?R. En réarrangeant cette équation, nous pouvons calculer le coefficient de frottement statique.

Maintenant que nous avons appris les principes du frottement, voyons comment ces concepts peuvent être appliqués pour calculer expérimentalement les forces et les coefficients du frottement cinétique et statique. Cette expérience se compose d’une échelle de masse, d’une échelle de force, de deux casseroles métalliques avec des coefficients de frottement différents désignés par les blocs 1 et 2, d’un plan d’inclinaison réglable, de deux poids de 1000 g et d’un rapporteur.

Ajoutez un poids de 1000 g à chaque bloc et utilisez la balance pour mesurer les masses des blocs chargés.

Après avoir connecté l’échelle de force au bloc 1, tirez l’échelle horizontalement et notez la lecture de la force juste avant que le bloc ne commence à glisser. Enregistrez cette force de frottement statique maximale et répétez cette mesure cinq fois pour obtenir plusieurs ensembles de données. Effectuez la même procédure à l’aide du bloc 2 et notez ces valeurs.

Ensuite, avec l’échelle de force connectée au bloc 1, tirez l’échelle à une vitesse constante et notez la force de frottement cinétique sur la jauge. Répétez cette mesure cinq fois pour obtenir plusieurs ensembles de données. Encore une fois, effectuez la même procédure à l’aide du bloc 2 et enregistrez ces valeurs.

Maintenant, placez le bloc 1 sur le bloc 2 et tirez la balance à une vitesse constante pour déterminer la force de frottement cinétique. Répétez cette mesure cinq fois et calculez la moyenne. Effectuez ensuite la même procédure avec le bloc 2 au-dessus du bloc 1.

Pour l’expérience suivante, tournez le bloc 1 de manière à ce que la plus petite surface fasse face à la table et fixez-le à l’échelle de force. Mesurez maintenant la force de frottement statique comme précédemment en notant la force avant que le bloc ne commence à glisser. Répétez cette mesure cinq fois pour obtenir plusieurs ensembles de données.

Pour la dernière expérience, placez le bloc 1 sur le plan d’inclinaison réglable avec le plan initialement à un angle de zéro degré. Augmentez lentement l’angle du plan et utilisez un rapporteur pour déterminer l’angle auquel le bloc commence à glisser. Encore une fois, répétez cette mesure cinq fois pour obtenir plusieurs ensembles de données et effectuez la même procédure à l’aide du bloc 2.

Pour les expériences effectuées sur une surface horizontale, la force normale sur les blocs est égale au poids, c’est-à-dire la masse multipliée par g. Comme la masse des blocs 1 et 2 pour les expériences de frottement statique et cinétique est la même, Fnorm est la même dans les quatre cas. En utilisant la moyenne des valeurs de force mesurées pour les différentes expériences, et les formules pour les deux frottements, les coefficients de frottement peuvent être calculés.

Comme prévu, le coefficient de frottement statique est supérieur au coefficient de frottement cinétique. De plus, les coefficients respectifs des deux blocs sont différents car ils possèdent chacun une rugosité de surface différente.

Dans l’expérience des blocs empilés, nous savons que la masse double dans les deux cas, nous pouvons donc calculer le nouveau Fnorm. Nous connaissons déjà ?k pour le bloc en contact avec la surface. À l’aide de cela, nous pouvons calculer la force de frottement cinétique, qui s’accorde bien avec la force mesurée pendant l’expérience.

La force de frottement mesurée à la suite d’un changement d’orientation du bloc 1 a démontré que la surface de contact n’affecte pas la force de frottement. Les écarts entre les forces calculées et mesurées sont cohérents avec les erreurs estimées associées à la lecture de l’échelle de force tout en maintenant une vitesse constante.

Pour les expériences sur plan incliné, l’angle de repos a été mesuré. En utilisant cet angle, les coefficients de frottement statique ont pu être déterminés, et ici les valeurs se comparent favorablement aux coefficients mesurés à partir des mesures de glissement horizontal.

L’étude du frottement est importante dans plusieurs applications, car elle peut être soit très bénéfique, soit un phénomène qui doit être minimisé.

Il est extrêmement important pour les fabricants de pneus automobiles d’étudier la friction, car elle permet aux pneus de gagner en traction sur une route. Par conséquent, lorsqu’il pleut, l’eau et les huiles résiduelles sur la route réduisent considérablement le coefficient de frottement, ce qui rend les glissades et les accidents beaucoup plus probables.

Alors que les ingénieurs veulent augmenter la friction pour les pneus de voiture, pour les moteurs et les machines en général, ils veulent la réduire, car la friction entre les métaux peut générer de la chaleur et endommager leurs structures. Par conséquent, les ingénieurs étudient constamment les lubrifiants qui peuvent aider à réduire le coefficient de frottement entre deux surfaces.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à Friction. Vous devez maintenant comprendre quels facteurs contribuent à l’ampleur de la friction, les différents types de friction et les mécanismes physiques sous-jacents qui la régissent. Comme toujours, merci d’avoir regardé !