Forces de frottement en Physique-Chimie - Seconde

• La force de frottement est toujours tangente à la surface de contact
• Elle s'oppose au mouvement ou à la tendance au mouvement
• Son sens est opposé à la direction du mouvement relatif

La force de frottement s'applique au point de contact entre les deux surfaces.

Le frottement statique agit lorsque deux surfaces sont en contact mais ne glissent pas l'une par rapport à l'autre.

Il empêche le début du mouvement.

Où \( \mu_s \) est le coefficient de frottement statique et \( N \) est la force normale.

Le frottement cinétique agit lorsque deux surfaces glissent l'une par rapport à l'autre.

Il s'oppose au mouvement déjà amorcé.

Où \( \mu_k \) est le coefficient de frottement cinétique et \( N \) est la force normale.

Le coefficient de frottement statique \( \mu_s \) dépend des matériaux en contact.

Exemples typiques :

• Caoutchouc sur béton sec : \( \mu_s \approx 1.0 \)
• Acier sur acier : \( \mu_s \approx 0.7 \)
• Glace sur bois : \( \mu_s \approx 0.1 \)
• Verglas sur pneu : \( \mu_s \approx 0.05 \)

En général, le coefficient de frottement cinétique est inférieur au coefficient de frottement statique :

Cela signifie qu'il est plus difficile de mettre un objet en mouvement que de le maintenir en mouvement.

Le frottement entre les pneus et la route est essentiel pour :

• La traction du véhicule
• Le freinage
• Le virage en toute sécurité

Les chaînes à neige augmentent le coefficient de frottement sur la neige.

• 1 Course à pied - les semelles adhèrent au sol
• 2 Escalade - frottement des mains sur la roche
• 3 Patinage - lubrification pour réduire le frottement
• 4 Ski - réduction du frottement pour glisser

• Permet de marcher sans glisser
• Assure l'adhérence des véhicules
• Permet le fonctionnement des freins
• Nécessaire pour l'écriture (stylo sur papier)
• Essentiel pour l'habillage (vêtements qui tiennent)

• Provoque l'usure des pièces mécaniques
• Consomme de l'énergie inutilement
• Génère de la chaleur (problème thermique)
• Ralentit les objets en mouvement
• Peut causer des accidents si trop faible

La rugosité est une mesure de l'irrégularité d'une surface à l'échelle microscopique.

Plus une surface est rugueuse, plus le coefficient de frottement est élevé.

Exemples :

• Sable rugueux : coefficient élevé
• Verre lisse : coefficient faible
• Métal poli : coefficient modéré

• 1 Matériau des surfaces
• 2 Température
• 3 Présence de lubrifiants
• 4 Pression entre les surfaces

Pour qu'un objet immobile commence à se déplacer, il faut appliquer une force suffisante pour vaincre le frottement statique maximal.

Si la force appliquée est inférieure à \( f_s = \mu_s \cdot N \), l'objet reste immobile.

Une fois que l'objet est en mouvement, la force de frottement devient \( f_k = \mu_k \cdot N \), généralement inférieure.

Lorsque la force appliquée est exactement égale à la force de frottement, l'objet est en équilibre.

Si la force appliquée dépasse la force de frottement, l'objet accélère selon la deuxième loi de Newton.

• Masse du bloc : m = 10 kg
• Coefficient de frottement statique : μs = 0,4
• Coefficient de frottement cinétique : μk = 0,3
• Accélération due à la gravité : g = 9,8 m/s²

Force normale : N = mg = 10 × 9,8 = 98 N

Force de frottement statique maximale : fs,max = μs × N = 0,4 × 98 = 39,2 N

Donc, il faut une force minimale de 39,2 N pour faire bouger le bloc.

Force de frottement cinétique : fk = μk × N = 0,3 × 98 = 29,4 N

Pour maintenir le mouvement uniforme, il faut une force de 29,4 N.

• Poids du bloc : P = mg = 5 × 9,8 = 49 N
• Composante du poids parallèle au plan : P sin(30°) = 49 × 0,5 = 24,5 N
• Composante du poids perpendiculaire au plan : P cos(30°) = 49 × 0,866 = 42,4 N
• Force normale : N = P cos(30°) = 42,4 N

Force de frottement statique maximale : fs,max = μs × N = 0,5 × 42,4 = 21,2 N

Force tendant à faire glisser : P sin(30°) = 24,5 N

Comme 24,5 N > 21,2 N, le bloc glissera sur le plan incliné.

La force de frottement qui s'oppose au mouvement est égale à la force de frottement cinétique (une fois que le bloc glisse) :

fk = μk × N (où μk est le coefficient de frottement cinétique)

Remarque : Si μk n'est pas donné, on suppose souvent μk ≈ μs

Sur un objet posé sur une surface horizontale :

• Force de pesanteur (poids) : dirigée vers le bas
• Force normale : dirigée vers le haut, égale au poids
• Force de frottement : dirigée horizontalement, opposée au mouvement

La force de frottement est représentée par un vecteur tangent à la surface.

• Origine : point de contact entre les surfaces
• Direction : tangente à la surface de contact
• Sens : opposé au mouvement ou à la tendance au mouvement
• Longueur : proportionnelle à l'intensité de la force

Le frottement de rolling (roulement) est différent du frottement de glissement.

Il intervient lorsque des objets roulent (roues, balles, cylindres).

Le frottement de rolling est généralement beaucoup plus faible que le frottement de glissement.

C'est pourquoi les roulements à billes sont utilisés dans de nombreux mécanismes.

Lorsqu'un objet se déplace dans un fluide (air, eau), il subit une force de résistance fluide.

Cette force dépend de la vitesse, de la forme de l'objet et des propriétés du fluide.

Ce n'est pas strictement du frottement solide mais a un effet similaire.

Les lubrifiants (huiles, graisses) forment une couche entre les surfaces.

Ils réduisent le contact direct entre les surfaces solides.

Exemples : huile moteur, graisse pour roulements, WD-40.

• Roulements à billes ou à aiguilles
• Glissières lubrifiées
• Air comprimé (coussin d'air)
• Surface texturée pour réduire le contact

Utilisation de matériaux avec de faibles coefficients de frottement :

• Téflon (PTFE)
• Plastiques lubrifiants
• Céramiques spéciales

• Frottement statique : empêche le démarrage du mouvement
• Frottement cinétique : s'oppose au mouvement en cours
• μk < μs dans la plupart des cas

• fs ≤ μs × N (frottement statique)
• fk = μk × N (frottement cinétique)
• N est la force normale

• Toujours tangente à la surface de contact
• S'oppose au mouvement relatif
• Indépendant de la surface de contact apparente