Types de friction, coefficient, calcul, exercices

La friction C'est la résistance au déplacement d'une surface en contact avec un autre. C'est un phénomène superficiel qui se produit entre les matériaux solides, liquides et gazeux. La force de résistance tangentielle à deux surfaces en contact, qui s'oppose à la direction du déplacement relatif entre ces surfaces, est également appelée force de friction ou force de friction F_r.

Pour déplacer un corps solide sur une surface, une force externe doit être appliquée qui peut surmonter la friction. Lorsque le corps se déplace, la force de friction agit sur le corps diminuant sa vitesse et peut même l'arrêter.

Friction [par Keta, Pietter Kuiper (https: // Commons.Wikimedia.org / wiki / fichier: frottement.Svg)]

La force de frottement peut être représentée graphiquement au moyen du diagramme des forces d'un corps en contact avec une surface. Dans ce diagramme, la force de friction F_r Il est dessiné par la composante de la force appliquée au corps tangentiel à la surface.

La surface de contact exerce une force de réaction sur le corps appelé force normale N. Dans certains cas, la force normale n'est due qu'au poids P du corps qui repose sur la surface, et dans d'autres cas, il est dû aux forces appliquées autres que la force de gravité.

La friction provient car il y a des rugos microscopiques entre les surfaces en contact. Lorsque vous essayez de déplacer une surface sur l'autre. À son tour, les pertes d'énergie sont produites sous forme de chaleur qui n'est pas utilisée pour déplacer le corps.

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Types de friction

Il existe deux principaux types de friction: la friction de Coulomb o Friction sèche et frottement fluide.

-Frottement de coulomb

Le frottement de Coulomb Il s'oppose toujours au mouvement des corps et est subdivisé en deux types de friction: frottement statique et friction cinétique (ou dynamique).

En friction statique, il n'y a pas de mouvement corporel à la surface. La force appliquée est très faible et ne suffit pas pour surmonter la force de friction. La friction a une valeur maximale proportionnelle à la force normale et est appelée force de friction statique F_concernant.

La force de frottement statique est définie comme la force maximale qui résiste au début du mouvement du corps. Lorsque la force appliquée dépasse la force de frottement statique, elle reste à sa valeur maximale.

La friction cinétique agit lorsque le corps est en mouvement. La force requise pour garder le corps en frottement est appelée force de friction cinétique F_RC.

La force de frottement cinétique est inférieure ou égale à la force de frottement statique car une fois que le corps commence à bouger, il est plus facile de continuer à le déplacer que d'essayer de le faire au repos.

Lois de frottement Coulomb

1. La force de frottement est directement proportionnelle à la force normale à la surface de contact. La constante de proportionnalité est le coefficient de frottement μ qui existe entre les surfaces en contact.
2. La force de frottement est indépendante de la taille de la zone de contact apparente entre les surfaces.
3. La force de frottement cinétique est indépendante de la vitesse de glissement corporel.

-Frottement fluide

La friction se produit également lorsque les corps se déplacent en contact avec des matériaux liquides ou gazeux. Ce type de frottement est appelé frottement fluide et est défini comme la résistance au mouvement des corps en contact avec un fluide.

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Le frottement du fluide fait également référence à la résistance d'un fluide pour s'écouler en contact avec des couches de fluide du même matériau ou une autre, et dépend de la vitesse et de la viscosité du fluide. La viscosité est la mesure de la résistance au mouvement d'un fluide.

-Frottement Stokes

La friction Stokes est un type de frottement fluide dans lequel les particules sphériques immergées dans un fluide visqueux, dans l'écoulement laminaire, éprouvent une force de frottement qui ralentit son mouvement en raison des fluctuations des molécules de fluide.

Stokes Friction [par Kraaiennest (https: // communes.Wikimedia.org / wiki / fichier: stokes_sphere.Svg)]

L'écoulement est laminaire lorsque les forces visqueuses, qui s'opposent au mouvement du fluide, sont supérieures aux forces inertielles et que le fluide se déplace à une vitesse suffisamment petite et dans une trajectoire rectiligne.

Coefficients de frottement

Selon la première loi de la friction de Coulomb Le coefficient de frottement μ Il est obtenu à partir de la relation entre la force de frottement et la force normale à la surface de contact.

μ = F_r/ /N

Le coefficient μ C'est une quantité sans dimension, car c'est une relation entre deux forces, qui dépend de la nature et du traitement des matériaux en contact. Généralement, la valeur du coefficient de frottement est comprise entre 0 et 1.

Coefficient de frottement statique

Le coefficient de frottement statique est la constante de proportionnalité qui existe entre la force qui empêche le mouvement d'un corps dans un état de contact sur une surface de contact et la force normale à la surface.

μ_et= F_concernant/ N

Coefficient de frottement cinétique

Le coefficient de frottement cinétique est la constante de proportionnalité qui existe entre la force qui restreint le mouvement d'un corps qui se déplace sur une surface et la force normale à la surface.

μ_c= F_RC/ N

Le coefficient de frottement statique est supérieur au coefficient de frottement cinétique.

μ_s> μ_c

Coefficient de frottement élastique

Le coefficient de frottement élastique dérive de la frottement entre les surfaces de contact des matériaux élastiques, mous ou rugueux qui sont déformés par les forces appliquées. La friction s'oppose au mouvement relatif entre deux surfaces élastiques et le déplacement s'accompagne d'une déformation élastique des couches de surface du matériau.

Le coefficient de frottement obtenu dans ces conditions dépend du degré de rugosité de surface, des propriétés physiques des matériaux de contact et de l'amplitude de la composante tangentielle de la force d'attente dans l'interface des matériaux.

Coefficient de frottement moléculaire

Le coefficient de frottement moléculaire est obtenu à partir de la force qui restreint le mouvement d'une particule qui glisse sur une surface douce ou à travers un fluide.

Comment le frottement est-il calculé?

La force de frottement dans les interfaces solides est calculée en utilisant l'équation F_r = μN

N C'est la force normale et μ C'est le coefficient de frottement.

Dans certains cas, la force normale est égale au poids du corps P. Le poids est obtenu en multipliant la masse m du corps en raison de l'accélération de la gravité g.

P= mg

En remplaçant l'équation de poids dans l'équation de la force de frottement, il est obtenu:

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F_r = μmg

Caractéristiques normales

Lorsqu'un objet se repose sur une surface plane, la force normale est celle qui exerce la surface sur le corps et s'oppose à la force due à la gravité, selon la loi d'action et de réaction de Newton.

La force normale agit toujours perpendiculairement à la surface. Sur une surface inclinée, la normale diminue à mesure que l'angle d'inclinaison augmente et pointe dans la direction perpendiculaire loin de la surface, tandis que le poids pointe verticalement vers le bas. L'équation de force normale sur une surface inclinée est:

N = mgcosθ

θ = angle d'inclinaison de la surface de contact.

Frottement dans un plan incliné [par mets501 (https: // communes.Wikimedia.org / wiki / fichier: free_body.Svg)]

La composante de la force agissant sur le corps pour la glisser est:

F = mgsenθ

À mesure que la force appliquée augmente à la valeur maximale de la force de friction, cette valeur correspond à la force de frottement statique. Quand  F = f_concernant, La force de frottement statique est:

F_concernant= mgsenθ

Et le coefficient de frottement statique est obtenu par tangente de l'angle d'inclinaison θ.

μ_et = tanθ

Exercices résolus

-Force de friction d'un objet qui repose sur une surface horizontale

Une boîte de 15 kg placée sur une surface horizontale est poussée par une personne qui applique une force de 50 Newton le long d'une surface pour se déplacer puis appliquer une force de 25 n pour garder la boîte en mouvement à une vitesse constante. Déterminer les coefficients de frottement statique et cinétique.

Boîte se déplaçant sur une surface horizontale

Solution: Avec la valeur de la force appliquée pour déplacer la boîte, le coefficient de frottement statique est obtenu μ_et.

μ_et= F_concernant/ N

La force normale N à la surface est égal au poids de la boîte, donc N = m.g

N = 15kgx9,8m / s²

N = 147New

Dans ce cas, μ_et= 50New / 147New

μ_et= 0,34

La force appliquée pour maintenir la vitesse de la boîte constante est la force de frottement cinétique qui est égale à 25NEW.

Le coefficient de frottement cinétique est obtenu avec l'équation μ_c= F_RC / N

μ_c= 25New / 147New

μ_c= 0,17

-Force de frottement d'un objet sous l'action d'une force avec un angle d'inclinaison

Un homme applique une force à une boîte de 20 kg, avec un angle d'application de 30 ° par rapport à la surface où il se repose. Quelle est l'ampleur de la force appliquée pour déplacer la boîte si le coefficient de frottement entre la boîte et la surface est de 0,5?

Solution: la force appliquée et ses composants verticaux et horizontaux sont représentés dans le diagramme du corps libre.

Diagramme de corps libre

La force appliquée forme un angle de 30 ° avec la surface horizontale. La composante verticale de la force s'ajoute à la force normale affectant la force de frottement statique. La boîte se déplace lorsque la composante horizontale de la force appliquée dépasse la valeur maximale de la force de frottement F_concernant. En correspondant à la composante horizontale de la force avec celle de la friction statique, il est obtenu:

F_concernant = Fcosθ                       [1]

F_concernant= μ_et.N                          [2]

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μ_et.N = fcosθ                      [3]

Force normale

La force normale n'est plus le poids du corps en raison de la composante verticale de la force.

Selon la deuxième loi de Newton, la somme des forces agissant sur la boîte sur l'axe vertical est vide, donc la composante verticale de l'accélération est pour_et= 0. La force normale est obtenue à partir de la somme

F Sen30 ° + n - p = 0                      [4]

P = m.g                                        [5]

F snn 30 ° + n - m.G = 0                [6]

N = m.G - F Sen 30 °                      [7]

Lors du remplacement de l'équation [7] dans l'équation [3], les éléments suivants sont obtenus:

μ_et. (m.G - F Sin 30 °) = FCOS30 °     [8]

Il efface F De l'équation [8] et obtenu:

F = μ_et . m.G / (cos 30 ° + μ_et péché 30 °) = 0,5 x 20 kg x 9,8 m / s² / (0,87+ (0,5 x 0,5)) =

F = 87,5 ans

-Frottement dans un véhicule en mouvement

Un véhicule de 1,5 tonne se déplace sur une route rectiligne et horizontale à une vitesse de 70 km / h. Le conducteur visualise, à une certaine distance, des obstacles sur la route qui le forcent à s'arrêter fortement. Après avoir arrêté le véhicule de skate pendant une brève période jusqu'à ce qu'il s'arrête. Si le coefficient de frottement entre les pneus et la route est de 0,7; Déterminez ce qui suit:

1. Quelle est la valeur de la frottement tandis que le véhicule de patine?
2. Décélération du véhicule
3. La distance parcourue par le véhicule des arrêts jusqu'à ce qu'elle s'arrête.

Solution:

Section A

Le diagramme corporel libre montre les forces agissant sur le véhicule lors du patinage.

Forces agissant dans un véhicule en mouvement

Parce que la somme des forces agissant dans l'axe vertical est nulle, la force normale est égale au poids du véhicule.

N = m.g

M = 1,5 tonne = 1500kg

N = 1500kgx9,8m / s²= 14700NEW

La force de frottement du véhicule lors du patinage est:

F_r = μN = 0,7x14700NEW

= 10290 Nouveau

Section B

La force de friction influence la diminution de la vitesse du véhicule lors du patin.

Lors de l'application de la deuxième loi de Newton, la valeur de la décélération est obtenue en nettoyant l'équation F = M.pour

A = f / m

a = (-10290 nouveau) / 1500kg

= -6,86 m / s²

Section C

La vitesse initiale du véhicule est V₀ = 70 km / h = 19,44 m / s

Lorsque le véhicule arrête sa vitesse finale, il est V_F = 0 Et la décélération est a = -6,86 m / s²

La distance parcourue par le véhicule, car elle s'arrête jusqu'à ce qu'elle s'arrête, elle est obtenue en nettoyant d de l'équation suivante:

V_F² = V₀²+2ad

D = (V_F² - V₀²) / 2a

= ((0)²-(19,44 m / s)²) / (2x (-6,86 m / s²)

D = 27,54 m

Le véhicule voyage 27,54m Distance avant de s'arrêter.

 Les références

1. Calculs du coefficient de frottement dans des conditions de contact élastiques. Mikhin, n m. 2, 1968, Science des matériaux soviétiques, Vol. 4, P. 149-152.
2. Blau, P J. Science et technologie des frictions. Floride, États-Unis: CRC Press, 2009.
3. Relation entre l'adhésion et les forces de friction. Isralachvili, J N, Chen, You-Lung et Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 8, P. 1231-1249.
4. Zimba, J. Force et mouvement. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, b. Principes et applications de la tribologie. New York: John Wiley and Sons, 1999.
6. Sharma, c s et purohit, k. Théorie des mécanismes et des machines. New Delhi: Prentice Hall of India, 2006.