Chaque élève sait que lorsqu'il y a contact entre deux surfaces solides, la soi-disant force de friction apparaît. Considérons dans cet article de quoi il s'agit, en nous concentrant sur le point d'application de la force de friction.
Quelles sont les forces de friction ?
Avant de considérer le point d'application de la force de frottement, il est nécessaire de rappeler brièvement quels types de frottement existent dans la nature et la technologie.
Commençons par considérer le frottement statique. Ce type caractérise l'état d'un corps solide au repos sur une surface. Le frottement de repos empêche tout déplacement du corps de son état de repos. Par exemple, en raison de l'action de cette force même, il nous est difficile de déplacer une armoire debout sur le sol.
Le frottement par glissement est un autre type de frottement. Elle se manifeste en cas de contact entre deux surfaces glissant l'une sur l'autre. Le frottement par glissement s'oppose au mouvement (la direction de la force de frottement est opposée à la vitesse du corps). Un exemple frappant de son action est un skieur ou un patineur glissant sur de la glace sur de la neige.
Enfin, le troisième type de frottement est le roulement. Elle existe toujours lorsqu'un corps roule à la surface d'un autre. Par exemple, le roulement d'une roue ou de roulements sont d'excellents exemples où le frottement de roulement est important.
Les deux premiers types décrits sont dus à la rugosité des surfaces frottantes. Le troisième type est dû à l'hystérésis de déformation du corps roulant.
Points d'application des forces de frottement de glissement et de repos
Il a été dit plus haut que le frottement statique empêche la force d'action externe, qui tend à déplacer l'objet le long de la surface de contact. Cela signifie que la direction de la force de frottement est opposée à la direction de la force externe parallèle à la surface. Le point d'application de la force de frottement considérée se situe dans la zone de contact entre deux surfaces.
Il est important de comprendre que la force de frottement statique n'est pas une valeur constante. Il a une valeur maximale, qui est calculée à l'aide de la formule suivante:
Ft=µtN.
Cependant, cette valeur maximale n'apparaît que lorsque le corps commence son mouvement. Dans tous les autres cas, la force de frottement statique est exactement égale en valeur absolue à la surface parallèle de la force externe.
Quant au point d'application de la force de frottement glissant, il ne diffère pas de celui du frottement statique. En parlant de la différence entre le frottement statique et glissant, il convient de noter l'importance absolue de ces forces. Ainsi, la force de frottement de glissement pour une paire de matériaux donnée est une valeur constante. De plus, elle est toujours inférieure à la force maximale de frottement statique.
Comme vous pouvez le voir, le point d'application des forces de friction ne coïncide pas avec le centre de gravité du corps. Cela signifie que les efforts considérés créent un moment tendant à renverser le corps coulissant vers l'avant. Ce dernier peut être observé lorsque le cycliste freine fort avec la roue avant.
Frottement de roulement et son point d'application
Étant donné que la cause physique du frottement de roulement est différente de celle des types de frottement discutés ci-dessus, le point d'application de la force de frottement de roulement a un caractère légèrement différent.
Supposons que la roue de la voiture est sur le trottoir. Il est évident que cette roue est déformée. La surface de son contact avec l'asph alte est égale à 2dl, où l est la largeur de la roue, 2d est la longueur du contact latéral de la roue et de l'asph alte. La force de frottement roulant, dans son essence physique, se manifeste sous la forme d'un moment de réaction du support dirigé contre la rotation de la roue. Ce moment est calculé comme suit:
M=Nd
Si nous le divisons et le multiplions par le rayon de la roue R, alors nous obtenons:
M=Nd/RR=FtR où Ft=Nd/R
Ainsi, la force de frottement de roulement Ft est en fait la réaction du support, créant un moment de force qui tend à ralentir la rotation de la roue.
Le point d'application de cette force est dirigé verticalement vers le haut par rapport à la surface du plan et est décalé vers la droite du centre de masse de d (en supposant que la roue se déplace de gauche à droite).
Exemple de résolution de problème
Actiontoute force de frottement tend à ralentir le mouvement mécanique des corps, tout en convertissant leur énergie cinétique en chaleur. Résolvons le problème suivant:
la barre glisse sur une surface inclinée. Il est nécessaire de calculer l'accélération de son mouvement si l'on sait que le coefficient de glissement est de 0,35 et que l'angle d'inclinaison de la surface est de 35o.
Considérons quelles forces agissent sur la barre. Premièrement, la composante de gravité est dirigée vers le bas le long de la surface de glissement. Il est égal à:
F=mgsin(α)
Deuxièmement, une force de friction constante agit vers le haut le long du plan, qui est dirigée contre le vecteur d'accélération du corps. Il peut être déterminé par la formule:
Ft=µtN=µtmgcos (a)
Alors la loi de Newton pour une barre se déplaçant avec une accélération a prendra la forme:
ma=mgsin(α) - µtmgcos(α)=>
a=gsin(α) - µtgcos(α)
En substituant les données à l'égalité, on obtient que a=2,81 m/s2. Notez que l'accélération trouvée ne dépend pas de la masse de la barre.
