Frottement statique

Les frottements sont très cruciaux dans notre vie quotidienne, car ils permettent d'éviter que les pneus des voitures ne glissent sur la glace en hiver, et ils permettent à une voiture de s'arrêter lors d'un freinage. Une personne qui saute avec un parachute descend ressent une traînée d'air, qui est la force de frottement fluide exercée par l'air sur un corps en mouvement. Par ailleurs, une balle qui roule sur le sol ralentit jusqu'à ce qu'elle finisse par s'arrêter en raison du frottement de roulement, ce sont tous deux des exemples de forces de contact.

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Pour un objet au repos, l'ampleur de la force de frottement statique est égale à l'ampleur d'une force appliquée.

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    Les gens poussent la voiture Friction statique ÉtudeSmarterFig. 1. Des personnes tentent de surmonter la force de frottement statique pour pousser une voiture calée hors de la route.

    Si deux corps se touchent directement, ils sont en contact. Les forces de contact sont utilisées pour expliquer l'interaction entre deux corps. Parmi les exemples de forces de contact, on peut citer la force normale et la force de frottement. Il existe deux grands types de forces de frottement dans lesquels tous les autres entrent : le frottement statique et le frottement cinétique. Dans cet article, nous nous concentrerons sur la force de frottement statique et expliquerons sa représentation mathématique. Nous discuterons également des différences entre la friction statique et la friction cinétique.

    Frottement statique : Définition

    Si nous avons une boîte sur le sol et que nous essayons de la pousser avec une certaine force, il se peut que la boîte reste immobile et ne bouge pas. Cela est dû à la force de frottement statique. La force de frottement statique se produit lorsque l'objet et la surface sont au repos l'un par rapport à l'autre. Il n'y a pas de mouvement de l'un par rapport à l'autre. Grâce à la friction statique, un objet restera immobile sur une surface sans glisser. Le sol exerce une force de frottement statique qui est égale en magnitude et opposée en direction à la force appliquée jusqu'à ce que la force appliquée soit supérieure à la force de frottement statique maximale. La force de frottement statique peut être représentée par \(\overset\rightharpoonup{f_{\mathrm s}}\).

    Il est important de noter que cela n'a rien à voir avec la troisième loi de Newton, car la paire de forces action-réaction agit toujours sur des objets différents.

    Relation de frottement statique Une boîte au repos applique une force F StudySmarterFig. 2 - Une boîte initialement au repos subit une force appliquée \(\overset\rightharpoonup F\) pour surmonter la force de frottement statique.

    Dans la figure ci-dessus, nous voyons une boîte qui est initialement au repos. La force normale \(\overset\rightharpoonup N\) est dirigée vers le haut et est exercée sur la boîte par le sol, tandis que le poids \(\overset\rightharpoonup W\) agit vers le bas. Comme la boîte est en équilibre, les amplitudes de la force normale et du poids sont égales.

    Ensuite, une force \N(\Ndans le sens des aiguilles d'une montre) est appliquée sur la boîte, la tirant vers la droite, et la magnitude de cette force appliquée augmente progressivement. La boîte restera au repos pendant un certain temps. En effet, même si la force augmente, la force de frottement statique augmente également afin d'équilibrer l'ampleur de la force \(\overset\rightharpoonup F\).

    La force nécessaire pour déplacer la boîte est égale et opposée à la force de frottement statique maximale. La valeur maximale de la force de frottement statique est représentée par \({(f_{\mathrm s})}_\max\) et elle est proportionnelle à l'ampleur de la force normale. Le facteur de proportionnalité est représenté par \(\mu_{\mathrm s}\) et s'appelle le coefficient de frottement statique. Une fois que la force de frottement statique maximale est surmontée, la boîte commence à glisser vers la droite.

    Friction statique : Formule

    La valeur réelle du frottement statique peut varier de zéro (lorsqu'aucune force n'est exercée sur l'objet) à une valeur maximale, qui est représentée mathématiquement comme suit

    $$f_s\leq{(f_s)}_{max}=\mu_sN.$$

    D'après la représentation mathématique, la relation de frottement statique s'établit entre des grandeurs, car la grandeur du frottement statique est proportionnelle à la fois à la grandeur de la force normale et à la rugosité entre les deux surfaces en contact. Par conséquent, les directions n'ont pas d'importance comme dans les relations vectorielles.

    Que signifie donc cette formule ?

    • Lorsque la force exercée \(\overset\rightharpoonup F\) est à une valeur à laquelle le mouvement commence, la formule peut être utilisée pour calculer l'ampleur de la force de frottement statique.
    • Si la force \(\overset\rightharpoonup F\) ne fait pas bouger l'objet, alors l'ampleur de la force de frottement statique doit être inférieure à \(\mu_sN\). Dans ce cas, l'ampleur de la force de frottement statique sera simplement égale à l'ampleur de la force appliquée \(\overset\rightharpoonup F\).

    Limiter le frottement

    Nous avons mentionné qu'il existe une limite où la force \(\overrightarrow F\) est supérieure à la valeur maximale de la force de frottement statique. Si cette limite est dépassée, la boîte commence à bouger. Lorsque la force de frottement statique est maximale et que le mouvement est sur le point de commencer, la force de frottement est appelée frottement limite. Lorsque le mouvement commence, l'objet ne subit plus de frottement statique. Au lieu de cela, l'objet subit la force de frottement cinétique.

    Frottement limitant Frottement statique StudySmarterFig. 3 - Diagramme montrant comment les forces de frottement statique et de frottement cinétique changent avec l'augmentation de la force appliquée.

    Si nous examinons le graphique ci-dessus, nous constatons qu'avec une force appliquée croissante \(\overset\rightharpoonup F\), l'ampleur de la force de frottement statique commence à augmenter également jusqu'à ce qu'elle atteigne un pic où l'ampleur est celle du frottement limite. Ensuite, l'objet commence à bouger et la force de frottement statique n'est plus efficace, mais la force de frottement cinétique l'est.

    Exemples de frottement statique

    Maintenant, étudions quelques exemples impliquant la force de frottement statique.

    Relation de frottement statique Une boîte au repos StudySmarterFig. 4 - Une boîte au repos. La force appliquée n'est pas assez importante pour surmonter la force de frottement statique.

    Questions

    a) Une boîte d'une masse de 4 kg est au repos sur une surface. Lorsqu'une force de \(10\,\mathrm N\) est appliquée à la boîte, elle est toujours au repos, quelle est l'ampleur de la force de frottement statique ?

    b) Si la valeur de la force de frottement statique maximale est \(20\,\mathrm N\), quel est le coefficient de frottement statique \(\mu_{\mathrm s}\) pour une boîte \(10\,\mathrm kg\) ? (\(g=10\,\frac{\mathrm m}{\mathrm s^2}\))

    Solutions

    a) Lorsqu'un objet est au repos et qu'une force lui est appliquée, la magnitude de la force est égale à la magnitude de la force de frottement statique. Puisqu'une force de \(10\N,\Nmathrm N\N) est appliquée, la magnitude de la force de frottement statique est également égale à \N(10\N,\Nmathrm N\N).

    b) La force de frottement statique maximale est égale à \(\mu_{\mathrm s}N\).

    Puisque la valeur de la force de frottement statique maximale est \N(20\N,\Nmathrm N\N), elle peut être insérée à la place de \N({\left(f_s\Nright)}_\max\N). De plus, la masse de l'objet est donnée. Nous pouvons donc calculer le poids.

    $$begin{align*}\mathrm W&=\mathrm{mg},\\mathrm W&=\left(4\mathrm{kg}\right)\left(10\mathrm m/\mathrm s^2\right),\mathrm W&=40\mathrm N.\Nend{align*}$$$.

    Comme le poids et la force normale ont la même ampleur, nous pouvons déterminer le coefficient de frottement statique \(\mu_{\mathrm s}\).

    $$\begin{align*}f_{\mathrm s}&=\mu_{\mathrm s}N,\\mu_{\mathrm s}&=\frac{{\mathrm f}_{\mathrm s}}{\mathrm N},\\mu_{\mathrm s}&=\frac{\mathrm N}{\mathrm N}{\mathrm N},\mu_{\mathrm s}&=0.5.\NFin{align*}$$

    Frottement statique et frottement cinétique

    Quelle est donc la différence entre le frottement statique et le frottement cinétique ?

    Les différences entre les forces de frottement statique et de frottement cinétique peuvent être résumées comme suit :

    1. Le frottement statique ne s'exerce que lorsque l'objet est immobile, tandis que la force de frottement cinétique s'exerce lorsque l'objet est en mouvement. (Une façon de se souvenir de la différence clé entre les deux est de réfléchir de façon critique à leurs définitions. Alors que statique signifie absence de mouvement, cinétique signifie lié au mouvement ou résultant du mouvement).
    2. La valeur maximale de la force de frottement statique est toujours supérieure à la force de frottement cinétique parce qu'il est toujours plus facile pour un objet de maintenir un mouvement que de commencer un mouvement à partir du repos.
    3. La valeur de la force de frottement cinétique sur une surface sèche est essentiellement constante, quelle que soit la vitesse de l'objet. Alors que la magnitude de la friction statique augmente avec la force appliquée jusqu'à ce qu'elle atteigne la friction limite.

    Friction statique - Principaux points à retenir

    • La force de frottement statique est appliquée lorsque l'objet est au repos.

    • Lorsque la force exercée \(\overset\rightharpoonup F\) est à une valeur à laquelle le mouvement commence, la formule peut être utilisée pour calculer l'ampleur de la force de frottement statique.

    • Si la force \(\overset\rightharpoonup F\) est inférieure à cette valeur, alors l'ampleur de la force de frottement statique doit être inférieure à \(\mu_{\mathrm s}N\). Dans ce cas, l'ampleur de la force de frottement statique sera simplement égale à l'ampleur de la force appliquée \(\overset\rightharpoonup F\).

    • Le type de frottement où la valeur maximale de la force de frottement statique est atteinte et où le mouvement est sur le point de commencer est appelé frottement limite.

    • La différence entre la force de frottement statique et cinétique est que la force statique est appliquée lorsque l'objet est immobile, et la force cinétique est appliquée lorsque l'objet est en mouvement. La force statique signifie que l'objet est immobile, la force cinétique qu'il est en mouvement.


    Références

    1. Fig. 1 - Des gens poussent une voiture immobilisée dans la rue (https://www.flickr.com/photos/nathaninsandiego/5421942474) par Nathan Rupert sous licence CC BY-NC-ND 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/).
    2. Fig. 2 - Friction statique surmontée, StudySmarter Originals.
    3. Fig. 3 - Friction statique, friction limitante, friction cinétique (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Static_friction.png) adapté de Ilevanat est sous licence GNU (https://www.gnu.org/licenses/fdl-1.3.html).
    4. Fig. 4 - Une boîte au repos, StudySmarter Originals.
    Questions fréquemment posées en Frottement statique
    Qu'est-ce que le frottement statique ?
    Le frottement statique est la force qui empêche deux surfaces de glisser l'une sur l'autre lorsque la force appliquée n'est pas suffisante à surmonter cette résistance.
    Comment calcule-t-on le frottement statique ?
    On calcule le frottement statique en multipliant le coefficient de frottement statique par la force normale exercée entre les surfaces.
    Quelle est la différence entre frottement statique et cinétique ?
    Le frottement statique empêche le mouvement initial, tandis que le frottement cinétique agit quand les surfaces glissent l'une sur l'autre.
    Quels sont les facteurs influençant le frottement statique ?
    Le frottement statique est influencé par le type de matériaux des surfaces en contact et la force normale exercée sur celles-ci.
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