Les forces de frottement

Les phénomènes de frottements sont des forces qui s’opposent aux mouvements relatifs entre deux corps. Un frottement est « sec » s’il y a un contact direct entre les deux corps. Il existe de nombreux frottements, mais dans le cadre de notre étude, il convient d’étudier les frottements de glissements, notamment cinétiques, et les frottements visqueux.

Forces, interaction gravitationnelle & lois de Newton

Avant d’aborder les frottements, il faut parler des forces. Une force permet de modéliser l’action qu’exerce un corps sur un autre (qui tire ou pousse selon un axe). Elle s’exprime en Newton et on la représente par un vecteur (un point d’application, une direction, un sens, une norme).
La force de gravitation est une des interactions fondamentales de l’univers. C’est une force attractive qui s’exerce à distance, elle a un effet sur tout corps possédant une masse. Tout corps (un Homme, une voiture…) placé près d’un astre subit son attraction. Cette force gravitationnelle, à la surface d’un astre, est appelée le poids, en Newton (attention à ne pas confondre le poids d’un corps, qui varie selon l’endroit où il se trouve, et la masse, qui s’exprime en kg et est invariable).
Les lois de Newton sont au nombre de 3:

Le principe d’inertie:

Selon cette loi, « Tout corps persévère dans l’état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite dans lequel il se trouve, à moins que quelque force n’agisse sur lui, et ne le contraigne à changer d’état ». Sur terre, le mouvement de n’importe quel corps est modifié à cause de la force de la gravitation.

Le principe fondamental de la dynamique:

Cette loi énonce que « Dans un référentiel d’inertie (ou repère galiléen), la vitesse d’un point matériel varie proportionnellement à la somme des forces extérieures qui lui sont appliquées et inversement proportionnellement à sa masse ». On considère que la Terre est un référentiel galiléen. Dans un référentiel galiléen, le principe d’inertie est vérifié.

Le principe des actions réciproques:

Selon ce principe, « L’action est toujours égale à la réaction: les actions de deux corps l’un sur l’autre sont toujours égales, et dans des directions contraires ». Les représentation des forces exercées par un corps sur l’autre seront donc des vecteurs de même direction et de même norme, mais de sens opposé.

Dans le cas de l’étude des frottements, ce sont les deuxième et troisième loi qui nous intéressent.

Forces de frottement

À cause de la gravitation, une voiture ou un train est attiré vers le sol. La force exercée est le poids. En se référant à la troisième loi de Newton, on sait qu’une force équivalente se crée pour compenser. En s’appuyant sur la deuxième loi, on comprend que leur vitesse va donc être modifiée. Les frottements secs sont dus à des points de frictions qui se créent à cause des irrégularités à la surface des corps. Des surfaces lisses généreront donc moins de frottements que des surfaces rugueuses.

Frottements cinétiques entre deux corps

Ces types de frottements interviennent à partir du moment où un corps est en mouvement par rapport à un autre, statique. Ce sont les types de frottements que l’on peut observer entre un train et des rails ou entre les pneus d’une voiture et une route. Ces frottements ralentissent le corps en mouvement en s’opposant à sa vitesse.

Frottements visqueux

Ces forces de frottements s’expriment lors de l’interaction entre deux corps lubrifiés ou lorsqu’un corps se déplace dans un milieu fluide. C’est le cas du bateau qui se déplace sur l’eau (sa vitesse ne s’exprime pas dans un repère galiléen). Lors d’une lubrification, les points de frictions sont supprimés, ce qui fait que la vitesse du corps en mouvement sera moins entravée.

Frottements aérodynamiques

Ce sont les forces qui s’exercent contre le mouvement d’un corps dans un liquide, comme pour le bateau; ou dans un gaz, comme pour l’avion (voir L’aérodynamique). Ces forces sont appelées « trainée ».

Tous les forces de frottements , au delà de ralentir l’objet en mouvement, se dissipent sous forme de chaleur. C’est ce que l’on peut observer lorsqu’une météorite tombe sur terre, la vitesse est telle que les frottements avec l’air entrainent une hausse énorme de la température, d’où l’émission de lumière. Donc, si ces forces sont mal contrôlées, elle peuvent déformer les pièces des véhicules en plus de les ralentir.