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 posé sur une rampe – une force doit être appliquée pour faire glisser le bloc le long de la rampe. Un autre terme, friction 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 sous le nom de coefficient de frottement. Dans des situations réelles, le coefficient de frottement statique s’avère presque toujours supérieur à celui de la cinétique, mais dans des expériences soigneusement contrôlées, où les surfaces des objets ont été soigneusement nettoyées, les deux sont généralement les mêmes.
En règle générale, à mesure que la force appliquée à un objet sur une surface augmente, la force de friction statique augmentera initialement pour l’égaler, de sorte que l’objet ne bouge pas. Après un certain point, cependant, l’objet commencera à se déplacer, et à ce stade, la force de friction diminuera, de sorte qu’il faudra moins de force 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 suffira.
Calcul du coefficient
Les coefficients de frottement statique peuvent être calculés pour tout matériau solide ou paire de matériaux. Une valeur de coefficient pourrait donc s’appliquer au bois sur bois, à l’acier sur acier ou à l’acier sur bois. Une façon de calculer la valeur d’une paire de matériaux consiste à placer un bloc d’un matériau sur une rampe constituée de l’autre – pour un seul matériau, le bloc et la rampe seraient constitués de la même substance. La pente de la rampe est progressivement augmentée, jusqu’à ce que le bloc glisse vers le bas. L’angle auquel cela se produit peut ensuite être utilisé pour calculer le coefficient de frottement statique.
Le coefficient, lorsqu’il est utilisé dans les formules et les équations, reçoit le symbole μ – la lettre grecque mu. Un indice est généralement utilisé pour distinguer les deux : μs indique le frottement statique, tandis que μk signifie le frottement cinétique. Par exemple, le s pour l’acier sur l’acier est de 0.74, tandis que le μk pour ce matériau est de 0.57. Ces valeurs correspondent à des situations typiques de la vie réelle et peuvent varier légèrement selon les circonstances. Étant donné que la valeur s peut être affectée par des irrégularités de surface, de la saleté et des traces d’autres substances, la valeur μk est considérée comme plus précise et 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 généralement le plus important est la rugosité des surfaces. Même lorsqu’ils sont lissés, les différents matériaux varient en fonction des détails fins de leurs surfaces. Concrètement, aucune surface n’est complètement lisse, mais certaines auront des irrégularités plus importantes 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 friction, tandis qu’une route asphaltée sèche est rugueuse, générant plus de résistance au mouvement. D’autres facteurs incluent l’attraction électrostatique et les types de liaisons chimiques faibles qui peuvent se former entre les surfaces.
Exemples
Beaucoup de gens sont familiers avec le frottement statique, car ils le rencontrent presque quotidiennement ; par exemple, il est au travail quand quelqu’un glisse un livre sur une table. Initialement, une petite force doit être exercée pour faire bouger le livre, mais une fois qu’il se déplace, la friction cinétique entre en jeu et moins d’efforts seront nécessaires pour le déplacer. 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 mouillé nécessitera plus de force pour se déplacer, tandis qu’un tout nouveau livre de poche pourrait glisser très facilement sur une table en bois sec 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 une plus grande friction, de sorte qu’une plus grande force doit être appliquée pour provoquer le mouvement. Par exemple, le s pour l’aluminium sur l’aluminium est de 1.05 à 1.35, ce qui est très élevé, tandis que la valeur pour le polytétrafluoroéthylène (PTFE) sur le PTFE est de 0.04, ce qui est extrêmement faible et le rend très glissant. Il est difficile de mettre en mouvement une voiture arrêtée en raison du frottement intentionnel entre les pneus et le sol ; cela permet 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 est le calcul de la distance de freinage pour une voiture à une vitesse donnée et dans des conditions particulières. Dans des circonstances normales, lorsque les pneus tournent sur la route, un frottement statique plutôt que cinétique s’applique. Le s pour un pneu sec sur route sèche est d’environ 1.00, alors que la valeur pour un pneu mouillé sur route mouillée n’est que de 0.2 — cela signifie que la distance de freinage sera cinq fois plus grande dans des conditions humides. Dans des conditions sèches, une voiture roulant à 31 miles par heure (50 km/h) a une distance de freinage de 33 pieds (10 mètres), alors que dans des conditions humides, la distance de freinage serait de 164 pieds (50 mètres). Lorsque les pneus glissent, plutôt que de rouler, le long de la surface – comme cela peut être le cas dans des conditions verglacées – c’est le frottement cinétique qui est important.