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Friction

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Les effets de friction sont facilement observés dans les activités quotidiennes et encore les mécanismes physiques qui régissent la friction peuvent s’avérer complexes.

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

Le but de cette vidéo est de montrer comment mesurer le frottement dans un laboratoire pour les objets coulissant horizontalement, ainsi qu’un plan incliné vers le bas.

Avant de plonger dans le protocole, nous allons revisiter les concepts qui sous-tendent la force de frottement. Tout d’abord, vous devez savoir qu’il existe deux types de frottements - friction cinétique et frottement statique.

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

Bien que la glace peut être considérée comme une surface lisse, si nous regardons l’échelle microscopique, il y a des interactions complexes entre les deux surfaces qui causent des frictions. Ces interactions dépendent de la rugosité de surface et des forces d’attraction intermoléculaires.

L’ampleur de cette force de frottement cinétique est égal au produit du coefficient de frottement cinétique, ou μK, qui dépend de la combinaison de matériau de la surface et la force normale, ou Fnorm qui exécute un push de l’objet et la surface ensemble.

Fnorm actes pour prendre en charge l’objet et est perpendiculaire à l’interface. Dans ce cas, le tube étant sur un sol plat, le Fnorm est égal à et en face de la force de gravité, ce qui est de mg. Par conséquent, si vous savez que la masse combinée de vous avec le tube et le coefficient de frottement cinétique de caoutchouc et de glace, nous pouvons facilement calculer la force de frottement.

Friction cinétique peut convertir une partie de l’énergie cinétique du tube en chaleur et permettra également de réduire l’élan du tube amenant finalement pour se reposer.

Maintenant, c’est quand le frottement statique - l’autre type de frottement - entre en jeu. Cette force de frottement s’oppose le mouvement d’un objet statique et peut être calculée en appliquant une force extérieure. La force appliquée qui finit par se déplace l’objet révèle la force maximale statique.

La formule de la force statique maximale est la même que celle de frottement cinétique, mais le coefficient de frottement statique μS est généralement supérieur à μK pour la même combinaison de matériau de la surface.

Une autre façon de surmonter la force maximale statique est en augmentant la pente de la surface. À un certain angle, appelé l’angle de repos ou θR, la force, tirant vers le bas de la pente est égale à la force de frottement statique et le tube va commencer à glisser. Cette force de traction, qui est le sinus de l’angle de repos fois la force de gravité, est égale à la force maximale statique, qui est produit fois μS de m, g et le cosinus de θR. En réarrangeant cette équation, nous pouvons calculer le coefficient de frottement statique.

Maintenant que nous avons appris les principes de la friction, nous allons voir comment ces concepts peuvent être appliqués pour calculer expérimentalement les forces et les coefficients de frottement statique et cinétique. Cette expérience se compose d’une échelle de masse, une échelle de force, deux plats en métal avec différents coefficients de frottement dénoté comme bloc 1 et 2, incline un avion, deux poids 1000 g et un rapporteur d’angles.

Ajouter un poids de 1000 g pour chaque bloc et utilisez l’échelle pour mesurer les masses des blocs chargés.

Après avoir connecté l’échelle de force pour bloquer 1, tirer l’échelle horizontalement et noter la force lecture juste avant le bloc commence à glisser. Enregistrer cette force maximale de frottement statique et répéter cette mesure cinq fois afin d’obtenir des ensembles de données multiples. Effectuez la même procédure à l’aide de bloc 2 et enregistrer ces valeurs.

Ensuite, avec l’échelle de force connecté pour le bloc 1, tirez l’échelle à une vitesse constante et notez le frottement cinétique force sur la jauge. Répéter cette mesure cinq fois afin d’obtenir des ensembles de données multiples. Encore une fois, effectuez la même procédure à l’aide de bloc 2 et enregistrer ces valeurs.

Maintenant, placez le bloc 1, bloc 2 sur le dessus et tirez l’échelle à une vitesse constante pour déterminer la force de frottement cinétique. Répéter cette mesure cinq fois et calculer la moyenne. Puis effectuez la même procédure avec bloc 2 sur le dessus de bloc 1.

Pour l’expérience suivante, tourner le bloc 1 telle que la surface inférieure fait face à la table et attachez-le à l’échelle de force. Maintenant mesurer la force de frottement statique comme avant en faisant la remarque de la force avant le bloc commence à glisser. Répéter cette mesure cinq fois afin d’obtenir des ensembles de données multiples.

Pour la dernière expérience, placer le bloc 1 sur le plan du plan initialement à un angle de 0 degré inclinaison réglable. Soulevez l’angle de l’avion lentement et utiliser un rapporteur d’angles pour déterminer l’angle auquel le bloc commence à glisser. Encore une fois, répéter cette mesure cinq fois d’obtenir des ensembles de données multiples et effectuez la même procédure à l’aide du bloc 2.

Pour les expériences réalisées sur une surface horizontale, la force normale sur les blocs est égale au poids, c'est-à-dire masse fois g. La masse du bloc 1 et 2 pour les deux expériences de frottement statique et cinétique étant les mêmes, Fnorm est le même dans tous les cas de quatre. En utilisant la moyenne des valeurs mesurées de force pour les diverses expériences et les formules pour les frictions, le coefficients de frottement peut être calculé.

Comme prévu, le coefficient de frottement statique est supérieur à coefficient de frottement cinétique. En outre, les coefficients respectifs des deux blocs sont différentes, puisque chacun d’eux possède une rugosité différente.

Dans l’expérience de blocs empilés, nous savons que la masse double dans les deux cas, alors nous pouvons calculer la nouvelle Fnorm. Nous savons déjà μk pour le bloc en contact avec la surface. En utilisant ceci, nous pouvons calculer la force de frottement cinétique, qui s’accorde bien avec la force mesurée pendant l’expérience.

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

Pour les expériences de plan incliné, l’angle de repos a été mesurée. À l’aide de cet angle, les coefficients de frottement statique a peuvent être déterminées, et ici les valeurs comparent favorablement avec les coefficients mesurées à partir des mesures coulissantes horizontales.

Experimentation de frottement est important dans plusieurs applications, comme il peut être très bénéfique ou un phénomène qui doit être réduits au minimum.

Il est extrêmement important pour la fabrique de pneu de voiture étudier le frottement, car elle permet de pneus à gagner du terrain sur une route. Donc, quand il pleut, l’eau et les huiles résiduelles sur la route de réduire considérablement le coefficient de frottement, faire glisser et accidents beaucoup plus probables.

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

Vous avez juste regardé 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 pour regarder !

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