La force de frottement est une grandeur physique qui empêche tout mouvement du corps. Il se produit, en règle générale, lorsque des corps se déplacent dans des matières solides, liquides et gazeuses. Différents types de forces de friction jouent un rôle important dans la vie humaine, car ils empêchent une augmentation excessive de la vitesse des corps.
Classification des forces de frottement
Dans le cas général, tous les types de forces de frottement sont décrits par trois types: les forces de frottement de glissement, de roulement et de repos. Le premier est statique, les deux autres sont dynamiques. Le frottement au repos empêche le corps de commencer à bouger, à son tour, lors du glissement, le frottement existe lorsque le corps frotte contre la surface d'un autre corps lors de son mouvement. Le frottement de roulement se produit lorsqu'un objet rond se déplace. Prenons un exemple. Un exemple frappant de ce type (force de frottement de roulement) est le mouvement des roues de voiture sur l'asph alte.
La nature des forces de frottement est l'existence d'imperfections microscopiques entre les surfaces frottantes de deux corps. Pour cette raison, la force résultante agissant surun objet se déplaçant ou commençant à se déplacer, se compose de la somme de la force de la réaction normale du support N, qui est dirigée perpendiculairement à la surface des corps en contact, et de la force de frottement F. Cette dernière est dirigée parallèlement à la surface de contact et est opposé au mouvement du corps.
Frottement entre deux solides
Lors de l'examen de la question des différents types de forces de frottement, les schémas suivants ont été observés pour deux corps solides:
- La force de friction est dirigée parallèlement à la surface d'appui.
- Le coefficient de frottement dépend de la nature des surfaces en contact, ainsi que de leur état.
- La force de frottement maximale est directement proportionnelle à la force normale ou à la réaction d'appui qui agit entre les surfaces de contact.
- Pour les mêmes corps, la force de frottement est plus grande avant que le corps ne commence à bouger, puis diminue lorsque le corps commence à bouger.
- Le coefficient de frottement ne dépend pas de la surface de contact, et il ne dépend pratiquement pas de la vitesse de glissement.
Lois
Résumant le matériel expérimental sur les lois du mouvement, nous avons établi les lois de base suivantes concernant le frottement:
- La résistance au glissement entre deux corps est proportionnelle à la force normale agissant entre eux.
- La résistance au mouvement entre les corps frottants ne dépend pas de la zone de contact entre eux.
Pour démontrer la deuxième loi, on peut donner l'exemple suivant: si vous prenez un bloc et que vous le déplacez en glissant sur la surface, alors la force nécessaire pour un tel mouvementsera le même lorsque le bloc repose sur la surface avec son côté long et lorsqu'il se tient debout avec son extrémité.
Les lois concernant les différents types de forces de frottement en physique ont été découvertes à la fin du XVe siècle par Léonard de Vinci. Puis ils ont été oubliés pendant longtemps, et ce n'est qu'en 1699 qu'ils ont été redécouverts par l'ingénieur français Amonton. Depuis, les lois du frottement portent son nom.
Pourquoi la force de frottement est-elle supérieure à celle du glissement au repos ?
Lorsque l'on considère plusieurs types de forces de frottement (repos et glissement), il convient de noter que la force de frottement statique est toujours inférieure ou égale au produit du coefficient de frottement statique et de la force de réaction du support. Le coefficient de frottement est déterminé expérimentalement pour ces matériaux de frottement et inscrit dans les tableaux appropriés.
La force dynamique est calculée de la même manière que la force statique. Seulement dans ce cas, le coefficient de frottement est utilisé spécifiquement pour le glissement. Le coefficient de frottement est généralement désigné par la lettre grecque Μ (mu). Ainsi, la formule générale pour les deux forces de frottement est: Ftr=ΜN, où N est la force de réaction d'appui.
La nature de la différence entre ces types de forces de frottement n'a pas été établie avec précision. Cependant, la plupart des scientifiques pensent que la force de frottement statique est supérieure à celle du glissement, car lorsque les corps sont au repos les uns par rapport aux autres pendant un certain temps, des liaisons ioniques ou des microfusions de points individuels des surfaces peuvent se former entre leurs surfaces. Ces facteurs provoquent une augmentation de l'électricité statiqueindicateur.
Un exemple de plusieurs types de force de friction et de leur manifestation est le piston dans le cylindre d'un moteur de voiture, qui est "soudé" au cylindre si le moteur ne tourne pas pendant une longue période.
Corps coulissant horizontal
Recherchons l'équation du mouvement d'un corps qui, sous l'action d'une force extérieure Fin, commence à se déplacer le long de la surface en glissant. Dans ce cas, les forces suivantes agissent sur le corps:
- Fv – force externe;
- Ftr – force de frottement opposée à la force Fv;
- N est la force de réaction du support, égale en valeur absolue au poids du corps P et dirigée vers la surface, c'est-à-dire perpendiculairement à celle-ci.
En tenant compte des directions de toutes les forces, nous écrivons la deuxième loi de Newton pour ce cas de mouvement: Fv - Ftr=ma, où m - masse corporelle, a - accélération du mouvement. Sachant que Ftr=ΜN, N=P=mg, où g est l'accélération en chute libre, on obtient: Fv – Μmg=mun. D'où, exprimant l'accélération avec laquelle le corps glissant se déplace, on obtient: a=F in / m – Μg.
Mouvement d'un corps rigide dans un liquide
Quand on considère quels types de forces de frottement existent, il faut mentionner un phénomène important en physique, qui est la description de la façon dont un corps solide se déplace dans un liquide. Dans ce cas, on parle de frottement aérodynamique, qui est déterminé en fonction de la vitesse du corps dans le fluide. Il existe deux types de mouvement:
- Quandun corps rigide se déplace à faible vitesse, on parle de mouvement laminaire. La force de frottement en mouvement laminaire est proportionnelle à la vitesse. Un exemple est la loi de Stokes pour les corps sphériques.
- Lorsque le mouvement d'un corps dans un fluide se produit à une vitesse supérieure à une certaine valeur seuil, des tourbillons provenant d'écoulements de fluide commencent à apparaître autour du corps. Ces tourbillons créent une force supplémentaire qui entrave le mouvement et, par conséquent, la force de friction est proportionnelle au carré de la vitesse.
Nature de la force de frottement de roulement
Quand on parle des types de forces de frottement, il est d'usage d'appeler la force de frottement de roulement le troisième type. Il se manifeste lorsqu'un corps roule sur une certaine surface et qu'une déformation de ce corps et de la surface elle-même se produit. Autrement dit, dans le cas d'un corps et d'une surface absolument indéformables, il est inutile de parler de la force de frottement de roulement. Regardons de plus près.
Le concept de coefficient de frottement de roulement est similaire à celui du glissement. Puisqu'il n'y a pas de glissement entre les surfaces des corps pendant le roulement, le coefficient de frottement de roulement est bien inférieur à celui du glissement.
Le principal facteur qui affecte le coefficient est l'hystérésis de l'énergie mécanique pour le type de force de frottement de roulement. En particulier, la roue, en fonction du matériau qui la constitue, ainsi que de la charge qu'elle porte, se déforme élastiquement lors du mouvement. Des cycles répétitifs de déformation élastique conduisent au transfert d'une partie de l'énergie mécanique en énergie thermique. De plus, en raison dedommage, le contact de la roue et de la surface a déjà une zone de contact finie.
formule de la force de frottement de roulement
Si nous appliquons l'expression pour le moment de la force qui fait tourner la roue, alors nous pouvons obtenir que la force de frottement de roulement est Ftr.k.=Μ k N / R, ici N est la réaction du support, R est le rayon de la roue, Μк – coefficient de frottement de roulement. Ainsi, la force de frottement au roulement est inversement proportionnelle au rayon, ce qui explique l'avantage des grandes roues par rapport aux petites.
La proportionnalité inverse de cette force au rayon de la roue suggère que dans le cas de deux roues de rayons différents qui ont la même masse et sont faites du même matériau, la roue avec le plus grand rayon est plus facile à bougez.
Rapport de roulement
Conformément à la formule de ce type de force de frottement, on obtient que le coefficient de frottement de roulement Μk a pour dimension la longueur. Cela dépend principalement de la nature des corps en contact. La valeur, qui est déterminée par le rapport du coefficient de frottement de roulement au rayon, est appelée coefficient de roulement, c'est-à-dire Ck=Μk / R est une quantité sans dimension.
Le coefficient de roulement Ck est nettement inférieur au coefficient de frottement de glissement Μtr. Par conséquent, en répondant à la question de savoir quel type de force de frottement est le plus petit, nous pouvons appeler en toute sécurité la force de frottement de roulement. Grâce à ce fait, l'invention de la roue est considérée comme une étape importante du progrès technologique.humanité.
Le taux de roulement est spécifique au système et dépend des facteurs suivants:
- dureté de la roue et de la surface (plus la déformation des corps qui se produit pendant le mouvement est faible, plus le coefficient de roulement est faible);
- rayon de roue;
- poids qui agit sur la roue;
- surface de contact et sa forme;
- viscosité dans la zone de contact entre la roue et la surface;
- température corporelle
