Qu'est-ce que la friction statique?
Le frottement statique est une force qui résiste au mouvement de deux objets l'un contre l'autre lorsque les objets sont initialement au repos. Un exemple simple est un bloc de bois assis sur une rampe - une force doit être appliquée pour que le bloc glisse le long de la rampe. Un autre terme, frottement cinétique, s'applique à la force qui oppose des objets qui se déplacent déjà les uns contre les autres. La force de ces forces peut être calculée et est connue comme le coefficient de frottement. Dans les situations réelles, le coefficient de frottement statique est presque toujours supérieur à celui de la cinétique, mais dans des expériences soigneusement contrôlées, où la surface des objets a été nettoyée à fond, les deux sont généralement les mêmes.
En règle générale, lorsque la force appliquée à un objet sur une surface augmente, la force de frottement statique augmente initialement pour correspondre, de sorte que l'objet ne se déplace pas. Après un certain point, cependant, l'objet commencera à se déplacer et, à ce stade, la force de friction diminuera, de sorte que moins de force est requise pour maintenir l'objet en mouvement. Par exemple, la force de friction peut correspondre à la force appliquée jusqu'à 50 newtons - la force est mesurée en newtons (N) - mais par la suite, elle peut chuter à 40 N. Par conséquent, une force d'un peu plus de 50 N est nécessaire pour obtenir l'objet en mouvement, mais par la suite, un peu plus de 40 N suffiront.
Calcul du coefficient
Les coefficients de frottement statique peuvent être calculés pour tout matériau solide ou paire de matériaux. Une valeur de coefficient peut donc s'appliquer au bois sur bois, à l'acier sur acier ou à l'acier au bois. Une façon de calculer la valeur pour une paire de matériaux consiste à placer un bloc d’un matériau sur une rampe composée de l’autre - pour un seul matériau, le bloc et la rampe seraient composés du même matériau. La pente sur la rampe augmente progressivement jusqu'à ce que le bloc glisse vers le bas. L'angle auquel cela se produit peut alors être utilisé pour calculer le coefficient de frottement statique.
Le coefficient, lorsqu'il est utilisé dans des formules et des équations, porte le symbole μ - la lettre grecque mu. Un indice est généralement utilisé pour distinguer les deux: µ s indique un frottement statique, tandis que µ k signifie un frottement cinétique. Par exemple, le μ s pour l’acier sur acier est de 0,74, alors que le μ k pour ce matériau est de 0,57. Ces valeurs correspondent à des situations typiques de la vie réelle et peuvent légèrement varier en fonction des circonstances. Comme la valeur μ s peut être affectée par des irrégularités de surface, de la saleté et des traces d'autres substances, la valeur μ k est considérée comme plus précise et correspond à celle qui est généralement donnée lorsqu'un simple coefficient de frottement est requis.
Facteurs affectant la friction
Un certain nombre de facteurs contribuent au frottement statique, mais le plus important est généralement la rugosité des surfaces. Même lorsqu'ils sont lissés, les différents matériaux varient en fonction des détails les plus fins de leurs surfaces. En pratique, aucune surface n'est complètement lisse, mais certaines auront des irrégularités plus grandes que d'autres. La différence est évidente dans certains cas: par exemple, une feuille de soie a une texture très lisse qui crée moins de frottement, tandis qu'une route asphaltée sèche est grossière et génère plus de résistance au mouvement. D'autres facteurs incluent l'attraction électrostatique et les types de liaisons chimiques faibles pouvant se former entre les surfaces.
Exemples
Beaucoup de gens sont familiers avec les frictions statiques, puisqu'elles les rencontrent presque quotidiennement. Par exemple, c'est au travail que quelqu'un glisse un livre sur une table. Au début, une petite quantité de force doit être exercée pour faire bouger le livre, mais une fois qu'il est en mouvement, le frottement cinétique entre en jeu et il faudra moins d'efforts pour le faire bouger. La force requise peut varier selon les circonstances. Par exemple, si un livre a une couverture de bibliothèque et qu'il est devenu humide, le livre humide nécessitera plus de force pour se déplacer, alors qu'un livre de poche tout neuf pourrait glisser très facilement sur une table en bois sèche, avec une surface vernie.
Des tableaux de coefficients de frottement statique et cinétique sont disponibles pour de nombreux matériaux courants et leurs combinaisons. Une valeur plus élevée indique un frottement plus important, de sorte que plus de force doit être appliquée pour provoquer un mouvement. Par exemple, le μ s de l'aluminium sur l'aluminium est compris entre 1,05 et 1,35, ce qui est très élevé, tandis que celui du polytétrafluoroéthylène (PTFE) sur le PTFE est égal à 0,04, ce qui est extrêmement faible et le rend très glissant. Il est difficile de pousser une voiture arrêtée en mouvement en raison du frottement intentionnel entre les pneus et le sol; Cela donne au conducteur plus de contrôle et rend la voiture moins susceptible de déraper.
Calcul de la distance de freinage
Un exemple d'application du frottement statique consiste à calculer la distance de freinage d'une voiture à une vitesse donnée et dans des conditions particulières. En temps normal, lorsque les pneus tournent sur la route, le frottement est statique et non cinétique. Le μ s pour un pneu sec sur une route sèche est d'environ 1,00, tandis que la valeur pour un pneu humide sur une route mouillée n'est que de 0,2, ce qui signifie que la distance de rupture sera cinq fois plus grande par temps humide. Par temps sec, une voiture roulant à 31 km / h (50 km / h) a une distance de freinage de 10 mètres (33 pieds), alors que dans des conditions mouillées, la distance de freinage serait de 50 mètres (164 pieds). Lorsque les pneus glissent plutôt que de rouler sur la surface - comme cela pourrait être le cas dans des conditions glacées -, le frottement cinétique est important.