Le frottement est un phénomène physique avec lequel une personne lutte afin de le réduire dans toutes les parties rotatives et coulissantes des mécanismes, sans lesquels, cependant, le mouvement de l'un de ces mécanismes est impossible. Dans cet article, nous examinerons, du point de vue de la physique, quelle est la force de frottement de roulement.
Quels types de forces de frottement existent dans la nature ?
Tout d'abord, considérez la place que prend le frottement de roulement parmi les autres forces de frottement. Ces forces résultent du contact de deux corps différents. Il peut s'agir de corps solides, liquides ou gazeux. Par exemple, le vol d'un avion dans la troposphère s'accompagne de la présence de frottements entre son corps et les molécules d'air.
Considérant exclusivement les corps solides, nous distinguons les forces de frottement de repos, de glissement et de roulement. Chacun de nous a remarqué: pour faire bouger une boîte sur le sol, il est nécessaire d'appliquer une certaine force le long de la surface du sol. La valeur de la force qui fera sortir les caisses du repos sera égale en valeur absolue à la force de frottement au repos. Ce dernier agit entre le fond de la boîte et la surface du sol.
Commentune fois que la boîte a commencé son mouvement, une force constante doit être appliquée pour maintenir ce mouvement uniforme. Ce fait est lié au fait qu'entre le contact du sol et le caisson, la force de frottement de glissement agit sur ce dernier. En règle générale, il est inférieur de plusieurs dizaines de pour cent au frottement statique.
Si vous placez des cylindres ronds en matériau dur sous la boîte, il deviendra beaucoup plus facile de la déplacer. La force de frottement du roulement agira sur les cylindres en rotation en cours de déplacement sous la caisse. Il est généralement beaucoup plus petit que les deux forces précédentes. C'est pourquoi l'invention de la roue par l'humanité a été un énorme bond en avant vers le progrès, car les gens étaient capables de déplacer des charges beaucoup plus importantes avec peu de force appliquée.
Nature physique du frottement de roulement
Pourquoi le frottement de roulement se produit-il ? Cette question n'est pas facile. Pour y répondre, il faut considérer en détail ce qui arrive à la roue et à la surface pendant le processus de laminage. Tout d'abord, ils ne sont pas parfaitement lisses - ni la surface de la roue, ni la surface sur laquelle elle roule. Cependant, ce n'est pas la principale cause de friction. La raison principale est la déformation d'un ou des deux corps.
Tous les corps, quel que soit leur matériau solide, sont déformés. Plus le poids du corps est important, plus la pression qu'il exerce sur la surface est importante, ce qui signifie qu'il se déforme au point de contact et déforme la surface. Cette déformation est dans certains cas si faible qu'elle ne dépasse pas la limite élastique.
Blors du roulement de la roue, les zones déformées après la fin du contact avec la surface retrouvent leur forme d'origine. Néanmoins, ces déformations se répètent cycliquement avec un nouveau tour de roue. Toute déformation cyclique, même si elle se situe dans la limite d'élasticité, s'accompagne d'hystérésis. Autrement dit, au niveau microscopique, la forme du corps avant et après déformation est différente. L'hystérésis des cycles de déformation lors du roulement de la roue entraîne la "dispersion" de l'énergie, qui se manifeste en pratique sous la forme de l'apparition d'une force de frottement de roulement.
Perfect Body Rolling
Sous le corps idéal dans ce cas, nous entendons qu'il est indéformable. Dans le cas d'une roue idéale, son aire de contact avec la surface est nulle (elle touche la surface le long de la ligne).
Caractérisons les forces qui agissent sur une roue indéformable. Premièrement, ce sont deux forces verticales: le poids du corps P et la force de réaction d'appui N. Les deux forces passent par le centre de masse (axe de roue), elles ne participent donc pas à la création du couple. Pour eux, vous pouvez écrire:
P=N
Deuxièmement, ce sont deux forces horizontales: une force externe F qui pousse la roue vers l'avant (elle passe par le centre de masse), et une force de frottement de roulement fr. Ce dernier crée un couple M. Pour eux, vous pouvez écrire les égalités suivantes:
M=frr;
F=fr
Ici r est le rayon de la roue. Ces égalités contiennent une conclusion très importante. Si la force de frottement fr est infiniment petite, alors ellecréera toujours un couple qui fera bouger la roue. Puisque la force externe F est égale à fr, alors toute valeur infiniment petite de F fera rouler la roue. Cela signifie que si le corps roulant est idéal et ne subit pas de déformation pendant le mouvement, il n'est pas nécessaire de parler d'une force de frottement de roulement.
Tous les corps existants sont réels, c'est-à-dire qu'ils subissent des déformations.
Vrai corps qui roule
Considérons maintenant la situation décrite ci-dessus uniquement pour le cas de corps réels (déformables). La zone de contact entre la roue et la surface ne sera plus nulle, elle aura une valeur finie.
Analysons les forces. Commençons par l'action des forces verticales, c'est-à-dire le poids et la réaction du support. Ils sont toujours égaux entre eux, c'est-à-dire:
N=P
Cependant, la force N agit maintenant verticalement vers le haut non pas à travers l'axe de roue, mais en est légèrement décalée d'une distance d. Si nous imaginons l'aire de contact de la roue avec la surface comme l'aire d'un rectangle, alors la longueur de ce rectangle sera l'épaisseur de la roue, et la largeur sera égale à 2d.
Passons maintenant à l'examen des forces horizontales. La force externe F ne crée toujours pas de couple et est égale à la force de frottement fr en valeur absolue, soit:
F=fr.
Le moment des forces menant à la rotation créera un frottement fret la réaction du support N. De plus, ces moments seront dirigés dans des directions différentes. L'expression correspondante esttaper:
M=Nd - frr
Dans le cas d'un mouvement uniforme, le moment M sera égal à zéro, donc on obtient:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
La dernière égalité, compte tenu des formules écrites ci-dessus, peut être réécrite comme suit:
F=d/rP
En fait, nous avons obtenu la formule principale pour comprendre la force de frottement de roulement. Plus loin dans l'article, nous l'analyserons.
Coefficient de résistance au roulement
Ce coefficient a déjà été introduit ci-dessus. Une explication géométrique a également été donnée. On parle de la valeur de d. Évidemment, plus cette valeur est grande, plus le moment crée la force de réaction du support, ce qui empêche le mouvement de la roue.
Le coefficient de résistance au roulement d, contrairement aux coefficients de frottement statique et de glissement, est une valeur dimensionnelle. Il est mesuré en unités de longueur. Dans les tableaux, il est généralement indiqué en millimètres. Par exemple, pour des roues de train roulant sur des rails en acier, d=0,5 mm. La valeur de d dépend de la dureté des deux matériaux, de la charge sur la roue, de la température et de quelques autres facteurs.
Coefficient de frottement de roulement
Ne le confondez pas avec le coefficient précédent d. Le coefficient de frottement de roulement est désigné par le symbole Cr et est calculé à l'aide de la formule suivante:
Cr=d/r
Cette égalité signifie que Cr est sans dimension. C'est elle qui est donnée dans un certain nombre de tableaux contenant des informations sur le type de frottement considéré. Ce coefficient est pratique à utiliser pour les calculs pratiques,car cela n'implique pas de connaître le rayon de la roue.
La valeur de Cr dans la plupart des cas est inférieure aux coefficients de frottement et de repos. Par exemple, pour des pneus de voiture roulant sur de l'asph alte, la valeur de Cr est à quelques centièmes près (0,01 - 0,06). Cependant, il augmente considérablement lors de l'utilisation de pneus crevés sur de l'herbe et du sable (≈0,4).
Analyse de la formule résultante pour la force fr
Écrivons à nouveau la formule ci-dessus pour la force de frottement de roulement:
F=d/rP=fr
De l'égalité, il s'ensuit que plus le diamètre de la roue est grand, moins il faut appliquer de force F pour qu'elle se mette en mouvement. Maintenant on écrit cette égalité par le coefficient Cr, on a:
fr=CrP
Comme vous pouvez le voir, la force de friction est directement proportionnelle au poids du corps. De plus, avec une augmentation significative du poids P, le coefficient Cr lui-même change (il augmente en raison de l'augmentation de d). Dans la plupart des cas pratiques, Cr se situe à quelques centièmes près. À son tour, la valeur du coefficient de frottement de glissement se situe à quelques dixièmes près. Comme les formules des forces de frottement de roulement et de glissement sont les mêmes, le roulement s'avère bénéfique d'un point de vue énergétique (la force fr est d'un ordre de grandeur inférieure à la force de glissement dans situations les plus pratiques).
Condition de roulement
Beaucoup d'entre nous ont connu le problème des roues de voiture qui patinent lorsqu'ils conduisent sur de la glace ou de la boue. Pourquoi est-ceévénement? La clé pour répondre à cette question réside dans le rapport des valeurs absolues des forces de frottement de roulement et de repos. Écrivons à nouveau la formule continue:
F ≧ CrP
Lorsque la force F est supérieure ou égale au frottement de roulement, la roue commence à rouler. Cependant, si cette force dépasse la valeur du frottement statique plus tôt, la roue patinera plus tôt que son roulement.
Ainsi, l'effet de glissement est déterminé par le rapport des coefficients de frottement statique et de frottement de roulement.
Moyens de contrer le patinage des roues de voiture
Le frottement de roulement d'une roue de voiture sur une surface glissante (par exemple, sur la glace) est caractérisé par le coefficient Cr=0,01-0,06. le même ordre sont typiques pour le coefficient de frottement statique.
Pour éviter le risque de patinage des roues, des pneus spéciaux "hiver" sont utilisés, dans lesquels sont vissés des pointes métalliques. Ces derniers, en s'écrasant sur la surface de la glace, augmentent le coefficient de frottement statique.
Une autre façon d'augmenter le frottement statique consiste à modifier la surface sur laquelle la roue se déplace. Par exemple, en le saupoudrant de sable ou de sel.
