Sciences · Physique
Les frottements
Les frottements sont des forces qui s’opposent au mouvement relatif de deux surfaces en contact ou d’un objet dans un fluide. Ils freinent, échauffent et usent, mais permettent aussi de marcher et de freiner.
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Sans frottements, impossible de marcher, de tenir un crayon, de freiner une voiture ou de faire tenir un nœud : tout glisserait comme sur une patinoire parfaite. À l’inverse, ce sont aussi les frottements qui font qu’une bille finit par s’arrêter, qu’un moteur chauffe et qu’un pneu s’use. La première loi de Newton n’est jamais observée à l’état pur sur Terre précisément à cause d’eux.
D’où viennent les frottements ?
À l’échelle microscopique, aucune surface n’est lisse : elle est couverte d’aspérités. Deux solides en contact ne se touchent que par les sommets de ces aspérités, où se forment des liaisons d’origine électromagnétique entre atomes. Faire glisser une surface sur l’autre oblige à rompre ces liaisons et à déformer les aspérités, ce qui demande une force et produit de la chaleur.
Frottement statique et frottement dynamique
| Type | Situation | Ce qui se passe |
|---|---|---|
| Statique (adhérence) | les surfaces ne glissent pas | la force de frottement compense la force appliquée, jusqu’à un maximum |
| Dynamique (cinétique) | les surfaces glissent | la force de frottement est à peu près constante, un peu plus faible que le maximum statique |
C’est pourquoi il faut pousser plus fort pour décoller un meuble lourd que pour le faire glisser une fois en mouvement.
Les lois du frottement solide
Formulées par Guillaume Amontons (1699) puis précisées par Charles-Augustin de Coulomb (1781), elles décrivent bien la plupart des cas courants :
- la force de frottement est proportionnelle à la force qui presse les surfaces l’une contre l’autre (la réaction normale N) ;
- elle ne dépend pratiquement pas de l’aire de contact apparente ;
- le frottement dynamique dépend peu de la vitesse de glissement.
F_frottement ≤ μ_s × N (statique) et F_frottement = μ_d × N (dynamique)
Le coefficient de frottement μ (lettre grecque « mu ») est un nombre sans unité qui dépend des deux matériaux et de leur état (sec, mouillé, lubrifié).
Ordres de grandeur du coefficient de frottement
| Contact | μ approximatif |
|---|---|
| Pneu sur asphalte sec | 0,7 à 0,9 |
| Pneu sur asphalte mouillé | 0,4 à 0,6 |
| Pneu sur neige tassée | environ 0,2 |
| Pneu sur glace | environ 0,1 |
| Bois sur bois | 0,25 à 0,5 |
| Acier sur acier sec | environ 0,6 (statique) |
| Acier sur acier lubrifié | environ 0,1 |
| Ski fartés sur neige | environ 0,05 |
| Téflon sur téflon | environ 0,04 |
Ces valeurs varient selon les conditions ; elles donnent un ordre de grandeur.
Le frottement de roulement
Une roue qui roule sans glisser subit un frottement beaucoup plus faible qu’un objet qui glisse, dû à la déformation du pneu et du sol. C’est tout l’intérêt de la roue et des roulements à billes. Le coefficient de résistance au roulement d’un pneu de voiture est de l’ordre de 0,01, celui d’une roue de train sur un rail en acier environ dix fois plus faible : c’est l’une des raisons de l’efficacité énergétique du rail.
Les frottements fluides
Un objet qui se déplace dans l’air ou dans l’eau subit une force de traînée. À vitesse élevée, elle s’écrit :
F = ½ × ρ × Cx × S × v²
- ρ : masse volumique du fluide ;
- Cx : coefficient de traînée, qui dépend de la forme (environ 0,3 pour une voiture moderne, 1 pour un parachutiste à plat) ;
- S : surface frontale ;
- v : vitesse.
La traînée croît avec le carré de la vitesse : à 130 km/h, la résistance de l’air est presque 70 % plus forte qu’à 100 km/h. C’est pourquoi la consommation d’une voiture augmente fortement sur autoroute.
La vitesse limite
Un objet qui tombe accélère jusqu’à ce que la traînée compense son poids : sa vitesse devient constante, c’est la vitesse limite. Un parachutiste à plat ventre se stabilise vers 200 km/h ; parachute ouvert, autour de 20 km/h. Une goutte de pluie ordinaire tombe à quelques mètres par seconde seulement.
Utiles ou nuisibles ?
| Les frottements utiles | Les frottements nuisibles |
|---|---|
| Marcher, courir (adhérence des semelles) | Perte d’énergie dans les moteurs et machines |
| Freiner (plaquettes sur disques) | Usure des pièces, des pneus, des articulations |
| Tenir un objet, faire un nœud, visser | Échauffement, risque de grippage |
| Allumer une allumette | Résistance de l’air à grande vitesse |
| Jouer du violon (archet sur la corde) | Consommation de carburant accrue |
On les réduit par la lubrification (huile, graisse), le polissage, les roulements, le carénage aérodynamique. On les augmente par des pneus à crampons, du sable sur la glace, de la magnésie sur les mains des gymnastes.
Frottements et énergie
Les frottements ne détruisent pas l’énergie : ils convertissent l’énergie de mouvement en chaleur (voir énergie et thermodynamique). Se frotter les mains pour se réchauffer, les disques de frein qui rougissent en compétition ou les météores qui s’enflamment en entrant dans l’atmosphère en sont des exemples.
Questions fréquentes
Les frottements dépendent-ils de la surface de contact ?
Très peu pour les solides secs : à poids égal, une brique posée à plat ou sur la tranche glisse à peu près de la même façon. La force dépend surtout de la force qui presse les surfaces et des matériaux.
Pourquoi glisse-t-on sur la glace ?
Le coefficient de frottement de la glace est très faible, notamment grâce à une fine couche d’eau ou de molécules mobiles à sa surface ; les mécanismes exacts font encore l’objet de recherches.
Les frottements existent-ils dans l’espace ?
Dans le vide, il n’y a pas de frottement fluide : une sonde garde sa vitesse. En orbite basse, l’atmosphère résiduelle freine légèrement les satellites, qui finissent par redescendre sans corrections.
Quelle est la différence entre frottement statique et dynamique ?
Le frottement statique empêche un objet immobile de se mettre à glisser ; le frottement dynamique freine un objet qui glisse déjà. Le premier est en général un peu plus élevé que le second.