Frottement

Source : Nicholas Timmons, Antonella Cooray, Ph.d., département de physique & astronomie, école de Sciences physique, University of California, Irvine, CA

L’objectif de cette étude est d’examiner la nature physique des deux types de frottement (i.e., statique et cinétique). La procédure comprendra à mesurer le coefficient de friction pour les objets coulissant horizontalement, ainsi qu’un plan incliné vers le bas.

Frottement n’est pas complètement élucidé, mais il est déterminé expérimentalement est proportionnelle à la force normale exercée sur un objet. Si un microscope zoome sur deux surfaces qui sont en contact, il révélerait que leurs surfaces sont très durs à petite échelle. Cela empêche les surfaces de glisser facilement passé un de l’autre. Combinant l’effet de surfaces rugueuses avec les forces électriques entre les atomes dans les matériaux peut-être expliquer la force de frottement.

Il existe deux types de friction. Frottement statique est présent lorsqu’un objet ne bouge pas et certains force est nécessaire pour obtenir cet objet en mouvement. Frottement cinétique est présent lorsqu’un objet est déjà en mouvement, mais ralentit en raison de la friction entre les surfaces de glissement.

La figure 1.

La figure 1 illustre les quatre forces agissant sur un objet qui se trouve sur un plan horizontal. correspond à une force horizontale appliquée. est la force de gravité sur l’objet, ce qui correspond également, mais dans le sens inverse de la force normale, . La force normale est le résultat d’une surface agissant sur un objet à l’encontre de gravité. La force normale explique pourquoi un ouvrage ne tombe pas simplement par le biais de la table c’est reposant sur. Enfin, s’opposant à la force appliquée est la force de frottement, . La force de frottement est proportionnelle à la force normale :

, (Équation 1)

où est le coefficient de frottement.

Le coefficient de frottement doit être mesuré expérimentalement et est une propriété qui dépend de deux matériaux qui sont en contact. Il existe deux types de coefficients de frottement : frottement cinétique, , lorsque les objets sont déjà en mouvement et frottement statique, , lorsque les objets sont au repos et nécessitent une certaine quantité de force pour aller de l’avant. Pour un objet en faisant glisser le long d’un chemin d’accès, la force normale est égale au poids de l’objet. Par conséquent, la force de frottement dépend uniquement du coefficient et de la masse d’un objet.

Si l’objet se trouve sur un plan incliné, puis la force normale est perpendiculaire à la pente et n’est pas égale et opposée au poids comme on peut voir dans la Figure 2.

La figure 2.

Dans ce cas, qu’une composante de la est équivalente à la force normale, selon l’angle θ :

. (Équation 2)

L’angle de repos est défini comme le point auquel la force de gravité sur un objet permet de surmonter la force de frottement statique et l’objet commence à glisser sur un plan incliné. Une bonne approximation de l’angle de talus est :

. (Équation 3)

Dans cet atelier, deux plats en métal servira pour représenter les matériaux avec différents coefficients de frottement. Bloc A aura un fond de papier sablé, qui se traduira par un coefficient de frottement plus élevée, tandis que le bloc B auront un fond métallique lisse.

1. mesurer le coefficients de frottement.

1. Ajouter un poids de 1 000 g à chaque bloc et utiliser une échelle de mesure des masses des blocs A et B, y compris la masse ajoutée.
2. Connectez la balance de la force pour bloquer A. tirer sur l’échelle horizontale et noter le poids juste avant le bloc commence à glisser. Juste avant qu’il commence à glisser, la quantité maximale de frottement statique résiste au mouvement. Permet de calculer la force de lecture bloc A. Faire ceci cinq fois et relever la valeur moyenne.
3. Répétez l’étape 1.2 avec bloc B.
4. Tirer le bloc A dans l’ensemble de la table à une vitesse constante. Si la vitesse est constante, la force sur l’échelle de lecture doit être égale à la force de frottement. Calculer bloc A. Faire ceci cinq fois et relever la valeur moyenne.
5. Répétez l’étape 1.4 avec bloc B.

2. l’effet du poids sur la force de frottement.

1. Place un bloc sur le dessus de bloc B et répétez l’étape 1.4 cinq fois, détermination de la valeur moyenne. Calculer le facteur par lequel la friction force une augmentation/diminution.
2. Bloc-place B sur le dessus de bloc A et répétez l’étape 1.4 cinq fois, déterminer la valeur moyenne. Calculer le facteur par lequel la friction force une augmentation/diminution.

3. effet de surface sur la force de friction.

1. Tourner le bloc B sur le côté qui contient uniquement le bord de la casserole. Le poids devront être placés sur le dessus du côté face vers le haut. Mesurer la force de frottement et la comparer à la valeur mesurée à l’étape 1.2. Calculer le facteur par lequel la friction force une augmentation/diminution.

4. Angle de repos.

1. Place un bloc sur le plan d’inclinaison réglable, commençant à un angle de 0°. Augmentez progressivement l’angle jusqu'à ce que le bloc commence à glisser. À l’aide d’un rapporteur d’angles, mesurer l’angle de repos et 3 de l’équation permet de calculer le coefficient de frottement statique juste avant le bloc a commencé à glisser. Faire ceci cinq fois et relever la valeur moyenne.
2. Répétez l’étape 4.2 avec bloc B.

Tableau 1. Coefficients de frottement.

Bloc
A	0,68	0,60
B	0,52	0,47

Le tableau 2. Effet de poids et surface sur la force de frottement.

Mesure	(N)	Facteur par lequel il est plus grand ou plus petit
Bloc B sur A	16	Avec d’après l’étape 1.4 = 2,3
Bloc A sur B	14	Avec partir de l’étape 1.5 = 2,5
Petite surface	5	Avec d’après l’étape 1.4 = 0,9

Tableau 3. Angle de repos.

Bloc	Angle de talus (°)
A	30	0,58
B	24	0,45

Les résultats tirés de l’expérience correspondent les prédictions faites par les équations 1 et 2. À l’étape 1, le frottement statique est plus grand que le frottement cinétique. C’est toujours le cas, car il faut plus de force pour surmonter la friction lorsqu’un objet n’est pas déjà en mouvement. À l’étape 2, il a été confirmé que la force de frottement est proportionnelle au poids de deux blocs et le coefficient de frottement cinétique du bloc au contact de la table. Le résultat de l’étape 3 confirme que la surface n’affecte pas la force de frottement. À l’étape 4, l’angle de repos peut être approchée par l’équation 3. L’erreur associée au laboratoire vient de la difficulté de lecture de l’échelle de force tout en maintenant une vitesse constante pour le bloc coulissant. En prenant plusieurs mesures et calcul de la moyenne, cet effet peut être réduit.

Le frottement est partout dans notre vie quotidienne. En fait, il ne serait pas possible de marcher sans elle. Si quelqu'un a essayé de marcher sur une surface sans frottement, il irait nulle part. C’est seulement le frottement entre la plante de ses pieds et le sol comme son push muscles contre le sol qui lui propulse vers l’avant.

Dans presque tous les aspects de l’industrie, les ingénieurs tentent de réduire la friction. Lorsque deux surfaces sont en contact, il y aura toujours des frictions. Cela peut prendre la forme de chaleur, comme la chaleur ressentie quand quelqu'un frotte rapidement ses mains ensemble. Dans les applications industrielles, cette chaleur peut endommager les machines. Les forces de frottement aussi s’opposer à la requête d’objets et peuvent ralentir les opérations mécaniques faites. Par conséquent, les substances comme lubrifiants sont utilisés pour diminuer le coefficient de frottement entre deux surfaces.

Tableau 4. Exemple de coefficients de frottement.

Matériaux
bois sur bois	0,2
laiton, acier	0,44
en caoutchouc sur le béton	0,8
roulements à billes lubrifiés	< 0,01

Dans cette expérience, les coefficients de frottement statique et cinétique ont été mesurés pour deux différents blocs coulissants. A examiné l’effet de masse sur la force de frottement, ainsi que l’effet de surface. Enfin, l’angle de repos pour un bloc sur un plan incliné a été mesurée.